材料化学工程论文提纲

论文题目：导电丝素蛋白支架的构筑及神经轴突分化电调控的研究

摘要：神经组织的缺陷及损伤修复是目前临床治疗的一大难题。使用神经组织工程支架引导神经修复的方法是自体移植手术的一条有效可行的替代途径,基于电刺激（ES）对神经修复的促进作用,电活性神经组织工程支架材料在这一领域具有很好的应用潜力。再生丝素蛋白（RSF）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）具有突出的生物相容性和导电性等特点,有望用于制备性能优良并具有独特优势的RSF/PEDOT类电活性神经组织工程支架,但目前此领域的研究尚处于起步阶段。本研究分别选用RSF和PEDOT类材料作为基体材料和导电功能体材料,提出了改进的化学氧化聚合沉积工艺及大分子插入嵌合新方法,制备了兼具良好的导电性、透明性及功能体和基体间粘附性的RSF/PEDOT类薄膜新材料,研究了各类工艺条件对制备的导电膜的结构与性能的影响及其原理,并通过大鼠嗜络细胞瘤细胞（PC12细胞）的体外培养证明了导电膜在神经组织工程领域的应用潜力。在此基础上,制备了具有微流体通道结构的导电RSF/聚（羟甲基-3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT-OH）支架,并结合灌流培养方法及ES,评估了PC12细胞在该支架中的体外动态培养效果。本研究为RSF/PEDOT类电活性神经组织工程支架的研究与应用奠定了基础。本研究首先采用过硫酸铵（APS）作为氧化剂,引发羟甲基-3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT-OH）单体在RSF表面的化学氧化聚合沉积反应。基于表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）在EDOT-OH水溶液中形成的胶束结构对该沉积作用的促进,制备了表面导电层规整、稳定的导电RSF/PEDOT-OH膜材料。结果表明,表面活性剂用量、氧化剂用量、反应初始p H值,单体浓度均对RSF/PEDOT-OH膜的结构及性能有影响。在最佳反应条件下,RSF/PEDOT-OH膜的表面方块电阻（Rs）为3.28×10~5Ω/sq,对应电导率为6.1×10-3 S/cm,表现出良好的电化学稳定性,PEDOT-OH导电层的结构稳定性以及表面亲水性。PC12细胞在RSF/PEDOT-OH膜上生长良好,优于RSF膜,表明了其良好的生物相容性。为进一步提高RSF/PEDOT-OH膜的导电性并使其兼具良好的透明性,采用Fe Cl3替换APS作为氧化剂,利用SDS和Fe Cl3间的络合作用进一步提高了RSF/PEDOT-OH膜的导电性。针对单一氧化剂体系制备RSF/PEDOT-OH膜的导电性和透明性间的性能矛盾,本研究开发了一种用于RSF表面化学氧化聚合沉积的复合氧化剂配方（APS和Fe Cl3）,基于该体系中APS对Fe3+的再生以及聚合产物中来自不同氧化剂的离子所产生的静电吸引力,有效避免了导电层结构缺陷及过度沉积,在RSF表面沉积了结构规整的纳米级PEDOT-OH导电层,其兼具良好的导电性和透明性。在最佳反应条件下,RSF/PEDOT-OH膜材料的Rs为5.12×10~4Ω/sq,对应电导率为8.9×10-2 S/cm,在可见光区的最大透过率超过70%,并具有良好的电化学稳定性、导电层与基体间的粘附性及表面亲水性。同时,PC12细胞可在该膜上很好地粘附、生长和分化,并实现活细胞的实时观察,基于膜表面的导电层结构可对PC12细胞进行有效ES,对其轴突分化产生正向诱导作用。为进一步提高改性RSF膜的导电性和透明性,本研究基于RSF的构象转变及大分子的插入嵌合作用,开发了一种通过聚（3,4-乙烯二氧噻吩）:聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）水分散体对RSF薄膜进行一步改性的新方法,制备了透明导电RSF/PEDOT:PSS膜。经PEDOT:PSS水分散体/乙醇混合体系对RSF膜的浸泡处理,大分子可成功插入RSF膜表面,形成结构及性能稳定的透明导电层。体系中乙醇体积占比为70 vol.%时,RSF/PEDOT:PSS膜具有最佳的综合性能,Rs为3.83×10~3Ω/sq,对应电导率为1.003 S/cm,在可见光区的最大透过率超过80%,该突出性能使材料表面的电聚合沉积修饰及细胞的光刺激调控等应用成为可能。RSF/PEDOT:PSS膜表现出良好的电化学稳定性及导电层与RSF膜基体间的粘附性。基于膜表面的透明导电层结构可对PC12细胞进行有效ES培养及实时观察,产生轴突分化的正向诱导作用。为将改性后的导电RSF结构拓展到三维神经支架领域,本研究通过软光刻、模塑及粘合封装等工艺,制备了RSF微流体支架。最终制备了五段区域宽度依次为1750μm、885μm、720μm、630μm和520μm,高度为250μm的RSF微流体通道。将基于SDS胶束体系及复合氧化剂配方的化学氧化聚合沉积工艺拓展于微通道结构,成功制备了三维透明导电RSF/PEDOT-OH微流体支架,支架两端湿态电阻达到2.35×10~5Ω。相比未经改性的RSF微流体支架,RSF/PEDOT-OH支架更利于PC12的粘附,表现出较好的神经细胞培养潜力。PC12细胞经神经生长因子（NGF）诱导预分化及RSF/PEDOT-OH微流体支架中的动态灌流培养,表现出明显的分化现象。基于该导电微流体支架,每天对PC12细胞施加100 m V直流电信号刺激2.5 h,并持续两天后,细胞轴突数量增加。在该RSF/PEDOT-OH微流体支架中,PC12细胞能够保持良好生长的临界剪切力为4.57×10-3 Pa,该值可以反映这一支架中PC12细胞对支架材料表面的粘附力。综上所述,基于SF/PEDOT类材料在神经组织工程领域的应用潜力,本研究制备的RSF/PEDOT-OH、RSF/PEDOT:PSS膜及RSF/PEDOT-OH微流体支架材料有望在神经修复、有机生物电子等领域进一步拓展其应用,为新型生物质医用材料的开发提供参考。

关键词：丝素蛋白;聚（3,4-乙烯二氧噻吩）;导电丝素蛋白膜;化学氧化聚合沉积;微流体;神经组织工程支架;电活性生物材料

学科专业：材料学

摘要

ABSTRACT

主要缩略词表

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 电活性神经组织工程支架研究进展

1.2.1 神经组织工程支架简介

1.2.2 电刺激在神经修复领域的意义

1.2.3 电活性神经组织工程支架

1.3 SF支架研究进展

1.3.1 SF及SF组织工程支架研究简介

1.3.2 SF神经组织工程支架

1.3.3 导电SF神经组织工程支架

1.3.4 SF微流体组织工程支架

1.4 PEDOT材料研究进展

1.4.1 PEDOT的结构和性质

1.4.2 PEDOT在神经组织工程领域的研究进展

1.4.3 导电SF/PEDOT复合材料

1.5 本论文的研究意义、研究内容和创新点

1.5.1 本论文的研究意义

1.5.2 本论文的主要研究内容

1.5.3 本论文的创新点

参考文献

第2章 基于APS单氧化剂体系制备导电RSF/PEDOT-OH膜的研究

2.1 引言

2.2 实验原料及实验设备

2.2.1 实验原料

2.2.2 实验设备

2.3 实验部分

2.3.1 RSF溶液的制备

2.3.2 RSF薄膜的制备

2.3.3 导电RSF/PEDOT-OH膜的制备

2.4 测试与表征

2.4.1 SDS胶束的粒径分布测试

2.4.2 RSF/PEDOT-OH膜的导电性测试

2.4.3 RSF膜在不同环境中的降解性测试

2.4.4 RSF/PEDOT-OH膜的红外光谱测试

2.4.5 RSF/PEDOT-OH膜的表面及截面形貌测试

2.4.6 RSF/PEDOT-OH膜的电化学性能测试

2.4.7 RSF/PEDOT-OH膜的导电层稳定性测试

2.4.8 RSF/PEDOT-OH膜的亲水性测试

2.4.9 RSF/PEDOT-OH膜的生物相容性表征

2.5 结果与讨论

2.5.1 RSF/PEDOT-OH膜的改性原理

2.5.2 表面活性剂用量对RSF/PEDOT-OH膜结构和导电性能的影响

2.5.3 氧化剂用量对RSF/PEDOT-OH膜结构和导电性能的影响

2.5.4 初始pH值对RSF/PEDOT-OH膜导电性能的影响

2.5.5 单体浓度对RSF/PEDOT-OH膜结构和导电性能的影响

2.5.6 RSF/PEDOT-OH膜的电化学性能

2.5.7 RSF/PEDOT-OH膜的导电层稳定性

2.5.8 RSF/PEDOT-OH膜的亲水性

2.5.9 RSF/PEDOT-OH膜的生物相容性

2.6 本章小结

参考文献

第3章 基于FeCl_3/APS复合氧化剂体系制备透明导电RSF/PEDOT-OH膜的研究

3.1 引言

3.2 实验原料及实验设备

3.2.1 实验原料

3.2.2 实验设备

3.3 实验部分

3.3.1 RSF溶液的制备

3.3.2 RSF薄膜的制备

3.3.3 透明导电RSF/PEDOT-OH膜的制备

3.4 测试与表征

3.4.1 RSF/PEDOT-OH膜的导电性、透明性测试及表征

3.4.2 RSF/PEDOT-OH膜的红外光谱测试

3.4.3 RSF/PEDOT-OH膜的表面及截面形貌测试

3.4.4 水中PEDOT-OH产物的形貌测试

3.4.5 RSF/PEDOT-OH膜及水中PEDOT-OH产物的元素成分分析测试

3.4.6 RSF/PEDOT-OH膜的电化学性能测试

3.4.7 RSF/PEDOT-OH膜的导电层粘附性测试

3.4.8 RSF/PEDOT-OH膜的亲水性测试

3.4.9 基于透明导电RSF/PEDOT-OH膜的PC12细胞培养

3.5 结果与讨论

3.5.1 基于FeCl_3氧化剂体系制备RSF/PEDOT-OH膜及其性能

3.5.2 基于复合氧化剂体系制备RSF/PEDOT-OH膜及其性能

3.6 本章小结

参考文献

第4章 基于PEDOT:PSS一步法制备透明导电RSF膜的研究

4.1 引言

4.2 实验原料及实验设备

4.2.1 实验原料

4.2.2 实验设备

4.3 实验部分

4.3.1 RSF薄膜的制备

4.3.2 RSF/PEDOT:PSS膜的制备

4.3.3 RSF/PEDOT:PSS膜的相分离后处理

4.4 测试与表征

4.4.1 RSF/PEDOT:PSS膜的导电性、透明性测试及表征

4.4.2 RSF/PEDOT:PSS膜的红外光谱测试

4.4.3 RSF/PEDOT:PSS膜的表面,截面结构形貌测试

4.4.4 RSF/PEDOT:PSS膜的元素成分分析测试

4.4.5 RSF/PEDOT:PSS膜的结晶结构测试

4.4.6 RSF/PEDOT:PSS膜的电化学性能测试

4.4.7 RSF/PEDOT:PSS膜的导电层粘附性测试

4.4.8 RSF/PEDOT:PSS膜的亲水性测试

4.4.9 基于RSF/PEDOT:PSS膜的PC12细胞培养

4.5 结果与讨论

4.5.1 RSF/PEDOT:PSS膜的改性机理分析

4.5.2 RSF/PEDOT:PSS膜的性能分析

4.5.3 RSF/PEDOT:PSS膜的PC12细胞电刺激培养研究

4.6 本章小结

参考文献

第5章 导电RSF微流体支架中的细胞动态培养及神经轴突电调控研究

5.1 引言

5.2 实验原料及实验设备

5.2.1 实验原料

5.2.2 实验设备

5.3 实验部分

5.3.1 RSF微流体支架的参数设计

5.3.2 RSF微流体支架的制备

5.3.3 RSF微流体支架的导电改性

5.3.4 RSF/PEDOT-OH微流体支架中的PC12细胞培养

5.4 测试与表征

5.4.1 RSF薄膜的红外光谱测试

5.4.2 SU-8 光刻胶阳模和PDMS阳模的微通道尺寸表征

5.4.3 RSF微流体支架的通道结构表征

5.4.4 RSF/PEDOT-OH微流体支架的导电性表征

5.4.5 RSF/PEDOT-OH微流体支架的导电层形貌表征

5.4.6 RSF/PEDOT-OH微流体支架内培养细胞的生长情况表征

5.4.7 细胞灌流培养液的密度与粘度测试

5.5 结果与讨论

5.5.1 SU-8 阴模及PDMS阳模的尺寸表征

5.5.2 有微通道图案RSF膜的成型温度分析

5.5.3 RSF微流体支架的尺寸表征

5.5.4 RSF/PEDOT-OH导电微流体支架的改性结果

5.5.5 RSF/PEDOT-OH导电微流体支架中的PC12细胞粘附

5.5.6 RSF/PEDOT-OH微流体支架中的PC12细胞分化培养

5.6 本章小结

参考文献

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

附录一

致谢