摘要
薄膜材料是材料学中重要的分支之一，在近几十年来得到了快速发展。目前不同材质的薄膜材料已经被开发出来，并且在传感、电学器件、光学器件、药物释放、细胞培养等科研领域展现出重要的地位。其中，柔性薄膜材料由于其出色的灵活性和适用性受到了科学家们的广泛关注和研究。二维细胞培养具备成本低、易于操作等优点，因此在细胞生物学基础研究和药物测试中占据十分重要的地位，其关键在于提供与体内相似的微环境，包括氧气、二氧化碳、营养物质的供给以及温度的维持等，使细胞能够在体外进行大量增殖并维持其原本的结构和功能。基于细胞功能层，可以进行药物筛选、毒性测试、病毒或微生物甚至是组织工程的研究，并为理解微观的生物学机制以及临床实际应用提供了研究平台。但是目前大部分的二维细胞培养都局限于固态基底上，使细胞只能在平面上进行伸展，限制了细胞与基底间的相互作用。此外，基底材料大多缺乏精细的结构设计，因此无法很好地模拟生物体内用于细胞培养的微环境。更重要的是，这些细胞集成的薄膜材料的生物医学价值还很少被探索和推广。因此研发出新型的柔性薄膜仿生材料用于细胞集成对于促进生物学、医学、药学等多个学科的发展具有里程碑式的意义。本文将基于柔性薄膜材料进行细胞培养，研究材料与细胞间的相互作用，并将其应用于软体机器人、器官芯片、生物医用补片等生物医学领域。主要的研究内容如下： （1）基于生物相容性良好的甲基丙烯酸酯化明胶（GelMA）水凝胶支架层，依次集成平行取向的碳管层，各向异性的结构层以及非密堆积结构色层，制备得到导电的结构色水凝胶柔性机器人基底；基于模板法分别制备了集成有平行取向碳管层和细胞因子的柔性GelMA水凝胶导电微针阵列贴片，以及集成有光热材料MXene（Ti3C2）的腺苷负载苯硼酸水凝胶微针阵列贴片。 （2）将柔性薄膜材料用于细胞培养，研究材料表面的仿生微纳结构如微条纹等对细胞黏附、增殖、分化和取向等行为的影响；同时探究心肌细胞等搏动细胞对于柔性薄膜材料的驱动作用，将微观的细胞行为转化为柔性基底的位移变化，并利用结构色层可视化监测该复合系统的运动能力等参数。 （3）基于心肌细胞驱动的导电结构色水凝胶柔性基底，进一步结合微流控技术，构建可视化心脏芯片系统。通过泵入药物溶液如异丙肾上腺素等，观察并记录生物机器人的运动速度，实现对药物效果的快速评估；还可以通过泵入其他溶液构建疾病模型，观测药物对该疾病的治疗效果，进行药物筛选。除了生物机器人的运动速度，其结构色层也可以通过光学信号的变化反映心肌细胞的活力和收缩频率，充分保证了药物的可视化筛选。 （4）基于柔性GelMA水凝胶导电微针阵列贴片进行诱导多能干细胞的分化培养，当干细胞转化为可自主搏动的心肌细胞后，将其应用于小鼠心肌梗塞模型的治疗，发现该疗法能够抑制左心室壁变薄和维持心脏功能。 （5）基于集成有MXene的腺苷负载苯硼酸水凝胶微针阵列贴片，由于MXene出色的光热转换能力，腺苷分子的释放速率可以在近红外光的照射下被提升。用于小鼠创面模型治疗时，该复合贴片能够促进新生血管的生成从而加速创面愈合。
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