【摘 要】
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随着微流控技术体内应用需求的增大,人们致力于构建生物相容性好、可控生物降解性能佳的微流控芯片。再生丝素蛋白（RSF）具有良好的生物相容性和可降解性,被认为是一种非常有前途的微流控芯片基体生物材料。RSF膜基微流控芯片的传统制备方法是模板法,该方法操作繁杂、耗时耗力。为解决上述问题,本课题组首次开发了基于Li Br溶液的胶带掩模辅助刻蚀技术,用于二维RSF基微流控芯片的低成本、高效制备。该方法操作简
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随着微流控技术体内应用需求的增大,人们致力于构建生物相容性好、可控生物降解性能佳的微流控芯片。再生丝素蛋白（RSF）具有良好的生物相容性和可降解性,被认为是一种非常有前途的微流控芯片基体生物材料。RSF膜基微流控芯片的传统制备方法是模板法,该方法操作繁杂、耗时耗力。为解决上述问题,本课题组首次开发了基于Li Br溶液的胶带掩模辅助刻蚀技术,用于二维RSF基微流控芯片的低成本、高效制备。该方法操作简单,不需要使用昂贵的仪器,但尚未被用于更为复杂的3D结构RSF基微流控芯片的构建。此外,已报导方法中Li Br刻蚀液的使用会带来潜在的细胞毒性和环境影响,可能会限制RSF基微流控芯片在生物医学领域的推广应用。因此,仍需找到更为绿色、安全和低成本的方法用于RSF基微流控芯片的构建。针对上述问题,本论文开展了如下研究:1.再生丝素蛋白膜基底的制备及改性由于新制的RSF膜具有水溶性,因此需要对膜进行改性处理以得到不溶于水的RSF膜。本部分工作采用水蒸气退火和乙醇浸泡两种方法,分别对RSF进行了不溶处理。未经处理的RSF溶液所制得的膜经水蒸气退火24 h后,其β-折叠结构含量由27.57%增加到35.09%;水解的RSF溶液所制得膜经乙醇处理40 min后,β-折叠结构含量从24.04%增加到43.02%。结果显示,无论水退火还是乙醇处理后的RSF膜都不溶于水,且在水中具有良好的稳定性。因此,经改性的RSF膜能作为微流控芯片的基体材料。2.丝素蛋白基多维微流控芯片的胶带掩模辅助溴化锂刻蚀制备及其应用本部分工作以水退火RSF膜为基底,开发了一种胶带掩模辅助的Li Br多步刻蚀技术用于多维微流控芯片制备。以1.0 g?m L-1 Li Br溶液为刻蚀液,在60℃下能有效的在RSF薄膜上刻蚀出精细的微结构,其形状、宽度和高度可通过调整胶带掩模图案、刻蚀条件和刻蚀次数来控制。经过多轮胶带粘贴或剥离,可在RSF膜上成功制备3D凸形阶梯状结构和凹形阶梯状结构。采用多次刻蚀方法,成功制备了基于RSF膜的3D鱼骨形结构和立方块结构微混合器,相较于2D通道具有更加优异的液体混合能力。所构建的3D微粒分离器也成功实现了3～80μm尺寸微球的分选,且经过显色反应可实现对H2O2浓度的检测。此外,基于RSF膜的微流控芯片在5 g?m L-1木瓜蛋白酶溶液中浸泡24 h后几乎完全降解,显示出了极佳的环境友好性。3.丝素蛋白基微流控芯片的胶带掩模辅助水刻蚀制备及其应用为了避免Li Br潜在的细胞毒性和生态影响,并进一步展示胶带掩模辅助刻蚀技术在制备RSF膜基微流控芯片中的优势,本研究开发了一种以水为刻蚀液的胶带掩模辅助刻蚀技术。为保证本研究中RSF膜的水溶性,对RSF溶液进行了水解预处理。RSF成膜之后,采取“水刻蚀-乙醇不溶处理”和“乙醇图案化不溶处理-水刻蚀-乙醇不溶处理”两种策略进行了微流控芯片的制备。在室温条件下,水溶液可在RSF膜上刻蚀出微结构,通过调整胶带掩模、刻蚀时间和刻蚀温度能精确的控制凸形和凹形微结构的尺寸。与Li Br刻蚀法相比,本方法所制备的微结构能更好的还原胶带模板上的图案。水刻蚀过程中RSF膜表面不溶性丝素蛋白链会暴露出来,经过随后的乙醇处理可形成水凝胶层。用本方法制备仿生血管通道,并在其中接种人脐静脉内皮细胞,结果表明细胞黏附和生长情况良好,继续培养至7天,可成功实现微血管的构建。综上,本论文开发了一种胶带掩模辅助刻蚀技术,并分别以Li Br溶液和水作为刻蚀液,在RSF膜上制备了多维微结构,并展示了其在微流控混合、分离、体外血管重建方面的应用潜力。本论文不仅为RSF微流控芯片的制作提供了更加简便、低成本的方法,还扩展了RSF在化学分析和生物医学领域的应用。
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