碳纳米管的细胞相容性及在生物材料和细胞传感中的应用

论文摘要

自1991年碳纳米管被发现以来,由于其独特的一维、纳米管状结构、优良的电学、力学及电化学等性质,在化学、物理和材料科学等许多领域具有十分广阔的应用前景。另外,细胞体外分析对细胞生理行为的研究以及药物的体外筛选都具有重要意义,细胞相容性界面的构建对促进细胞传感器的研制、组织工程的发展和组织工程材料的临床应用都起着关键的作用。本论文基于碳纳米管,考察了碳纳米管的细胞毒性,构建了生物相容性的细胞生长界面,并应用到细胞电化学传感的研究中。具体如下:1.采用混合酸酸化的方法将多壁碳纳米管（MWNTs）进行纯化处理,并用傅里叶红外技术表征了MWNTs酸化前后的表面结构;酸化处理后的MWNTs易分散在水中,进而研究了未纯化的MWNTs和酸化MWNTs对人骨肉瘤细胞MG-63的细胞毒性。将MWNTs与MG-63细胞共培养,采用光学显微技术观察细胞的生长形态,结合MTT实验,判断两种MWNTs分别与细胞相互作用时,对MG-63细胞的增殖和生长的毒性作用。实验结果表明,两种MWNTs对MG-63均没有表现出显著的细胞毒性。2.通过对壳聚糖基质的表面修饰,以促进壳聚糖和细胞之间的相互作用,对于扩展壳聚糖在组织工程组织材料中应用具有重要的意义。本实验中,采用石英晶体微天平技术实时监测了MWNTs在壳聚糖膜上的吸附行为,并用扫描电子显微镜技术表征壳聚糖膜修饰前后的表面形态。采用MTT法、吖啶橙染色技术和显微镜技术研究了MG-63细胞在壳聚糖膜和MWNTs修饰壳聚糖膜上的粘附、铺展、和增殖。进而论证了MWNTs修饰壳聚糖膜在细胞图案化培养中的应用潜力。结果表明,通过直接吸附MWNTs修饰制备壳聚糖膜,是一种简单且有效的促进细胞与壳聚糖基质之间相互作用的方法。3.采用多壁碳纳米管（MWNTs）对玻碳电极（GCE）进行表面修饰,构建了一种可用于固定人乳腺癌细胞MCF-7的无毒性界面。荧光显微镜观察结果表明,MWNTs在GCE表面的存在显著地促进了MCF-7细胞的粘附固定。电化学阻抗研究结果说明,细胞在MWNTs-GCE上的粘附导致检测液中的氧化还原探针Fe（CN）63-/4-与电极表面之间的电荷转移电阻（Rct）增大。Rct值与接种细胞密度的自然对数值在104至106cell·mL-1之间呈线性关系,检测限为7.0×103cell·mL-1。我们还成功地采用电化学阻抗技术监测了MCF-7细胞的生长过程,并以顺铂为例,评价了抗癌药物的细胞毒性作用。本研究工作表明,MWNTs修饰电极可有效地用于固定细胞,并构建细胞传感器用以电化学研究细胞的粘附、增殖及凋亡。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 碳纳米管
• 1.1.1 碳纳米管的结构
• 1.1.2 碳纳米管的性质
• 1.1.3 碳纳米管的制备
• 1.1.4 碳纳米管的纯化
• 1.1.5 碳纳米管的应用
• 1.2 细胞电化学与细胞传感
• 1.2.1 细胞内电子的传递
• 1.2.2 细胞的电化学伏安响应
• 1.2.3 细胞的电化学阻抗行为
• 1.2.4 细胞在新型仿生界面的增殖和固定技术
• 1.2.5 肿瘤细胞生长及药物抑制作用的分析
• 1.3 本文构思
• 第2章 多壁碳纳米管对MG-63 人骨肉瘤细胞的毒性研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂和材料
• 2.2.2 细胞培养
• 2.2.3 MWNTs 的酸化和红外表征
• 2.2.4 细胞生长的荧光显微图像
• 2.2.5 R-MWNTs 和A-MWNTs 的细胞毒性研究
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 MWNTs 的酸化和表征
• 2.3.2 R-MWNTs 和A-MWNTs 对MG-63 细胞的毒性研究
• 2.4 本章小结
• 第3章 碳纳米管修饰壳聚糖膜促进MG-63 骨肉瘤细胞的粘附和生长
• 3.1 前言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 试剂和材料
• 3.2.2 复合膜的制备
• 3.2.3 表面特征的表征
• 3.2.4 QCM 监测MWNTs 的吸附过程
• 3.2.5 细胞培养
• 3.2.6 细胞粘附实验
• 3.2.7 细胞增殖实验
• 3.2.8 细胞形貌观察
• 3.2.9 细胞图案化生长研究
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 实时监测MWNTs 在壳聚糖膜表面的吸附情况
• 3.3.2 复合膜表面结构的表征
• 3.3.3 细胞粘附研究
• 3.3.4 细胞增殖研究
• 3.3.5 细胞图案化生长研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 MCF-7 细胞在碳纳米管修饰玻碳电极上的快速粘附及电化学细胞传感研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂与材料
• 4.2.2 修饰电极的制备
• 4.2.3 电化学测试
• 4.2.4 细胞培养
• 4.2.5 细胞粘附研究
• 4.2.6 细胞数目检测
• 4.2.7 细胞生长过程研究
• 4.2.8 药物毒性评价
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 细胞在碳纳米管修饰玻碳电极上的粘附及电化学响应
• 4.3.2 细胞数目检测
• 4.3.3 细胞生长过程研究
• 4.3.4 药物毒性评价
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢