微流控芯片(Microfluidics)或芯片实验室(Lab-on-a-chip)是一种以亚微米级的流体操作为主要特征的技术,具有在微观尺度进行研究和操作的技术优势,适用于细胞、细菌、DNA等生物医学相关的研究领域。基于微流控技术,研究者在高通量检测、生物器官模拟、DNA扩增、单细胞培养和分析等方面均获得极大突破。在不断拓展其在分析检测领域应用的同时,微流控系统在材料结构调控和设计方面也表现出良好的应用前景,通过对微流控芯片的合理设计,研究者已制备出一系列具有特殊结构的天然丝蛋白、纤维素材料,从而进一步优化和扩展了这些材料在不同生物医学研究中的适用性。本论文主要利用微流控芯片技术实现不同生物材料的功能化设计。首先,将主客体相互作用同微流控技术结合,实现表面生物功能化性能的优化。使用多配体修饰主体分子β-环糊精获得不同衍生物,利用其与客体分子金刚烷之间的主客体相互作用将不同生物配体引入微孔道表面,从而赋予表面不同的生物功能,并利用主客体动态结合的特点实现表面生物功能的切换和再生;然后利用微流控芯片控制流体行为制备具有多级结构的生物纤维材料,通过微流控芯片孔道模拟天然蚕丝喷口结构,产生流体剪切力使丝蛋白纳米纤维基元取向排列,在纺丝过程中自组装形成多级取向的纤维材料。具体的研究内容包括以下两个方面:(1)结合光引发聚合和主客体相互作用制备可切换和再生的生物功能芯片以聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为基材,利用非共价主客体相互作用实现微流控芯片表面的生物功能化。通过可见光引发自由基聚合将OEGMA单体与合成的金刚烷-1-甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯(OEGMA-Ada)单体共聚修饰到PDMS基底。以PDMS表面的金刚烷基团作为锚点,通过主客体相互作用在孔道表面引入生物素七取代的β-环糊精和甘露糖七取代的β-环糊精分子。利用生物素-亲和素的亲合作用和甘露糖对Type-1型菌毛上凝集素的识别作用,分别赋予孔道表面特异性结合亲和素和E.coli的能力。实验结果表明,修饰后的孔道表面可排斥非特异性蛋白和细菌的吸附,特异性识别目标蛋白和细菌,并在复杂环境下实现了上述特异性结合能力的有效维持。结合目标蛋白/细菌后的表面通过十二烷基硫酸钠(SDS)处理,可实现环糊精分子与Ada之间的动态解离,从而通过表面CD分子与靶向目标的表面释放和再修饰实现孔道表面生物功能的再生和切换。“再生”和“切换”生物功能后的表面仍然保持特异性识别靶向目标的能力。(2)利用流体控制制备具有多级结构的丝蛋白纤维材料以丝蛋白纳米纤维为基元,利用微流控芯片模拟吐丝过程制备具有多级取向结构的丝蛋白纤维材料,并探究其力学性能和应用。以组装形成纳米纤维的丝蛋白溶液为纺丝液,利用微流控芯片模仿蚕吐丝喷口的孔道结构,使丝蛋白纺丝液通过微流孔道时在流体剪切力的作用下取向排列,在孔道内自组装成纳米纤维束,通过无水乙醇的凝固作用固化取向结构,获得具有多级取向结构的丝蛋白纤维材料。实验结果表明,相比丝蛋白原溶液得到的纤维材料,通过这种方法得到的丝蛋白纤维材料,材料多级结构进一步优化,材料内部由取向的纳米纤维基元构成,具有更好的微结构和力学性能。平滑肌细胞、雪旺细胞和鼠嗜铬细胞体外培养结果表明多级取向的丝蛋白纤维材料可以很好地模拟细胞微环境,促进细胞的增殖和取向生长,同时还可诱导PC12细胞向神经元的分化,证明通过微流控技术优化材料多级结构可实现对细胞行为的更好调控。综上,基于微流控芯片的优势,本研究分别结合主客体相互作用和天然纺丝过程的模拟,为微流控芯片和生物材料的功能化设计提供了新的策略,有望进一步应用于其他生物医学研究领域。