随着材料科学的不断发展,越来越多的人工合成材料被应用到临床医学和生命科学领域。当材料被引入到生命系统时,人工材料与生命体系中细胞或者组织接触的界面被称为生物界面。这个界面直接影响着组织细胞的粘附、铺展和生长,并决定着组织细胞生理功能的发挥正常。然而,传统细胞体外培养研究往往基于二维平面的培养材料,与细胞真实的三维生长环境差异较大,导致无法准确反馈细胞的生命活动信息。如何制备具有仿生拓扑结构、粘附可控的生物界面已成为近年来的一个基础科学问题。本文基于蜂窝状多孔结构,期望通过界面功能化来解决生物材料在组织工程研究过程所涉及的几个问题。分别制备了具有微纳米复合多级界面、粘附可控仿生界面、刺激响应增强界面,单细胞限域界面;并进一步探讨细胞在蜂窝状多孔结构上的粘附机理,本文的主要内容包括:(1)为了提供细胞体外培养所需的拓扑结构,本文基于蜂窝状多孔膜的微米结构,采用原位生长聚磷腈纳米结构的方法制备了具有仿生骨组织的微纳米复合多级结构。这是一种具有普适性的聚磷腈涂层制备方法。并通过理论建模和实验测试相结合,探究了聚磷腈涂层的形成机理,结果表明表面能匹配,即聚磷腈和聚苯乙烯材料间具有相近的表面能是诱导聚磷腈在基底表面进行原位生长的重要影响因素。我们分别通过改变基底表面能、单体浓度和表面能拓扑分布来实现微纳米复合多级结构的形貌调控,制备了一系列具有不同密度、粒径、分布的微纳米复合多级结构。并进一步将所制备的聚磷腈复合多级结构用于细胞培养。由于聚磷腈聚合物富含P,N元素,所制备的微纳米复合多级结构具有优异的生物相容性,能促进细胞粘附、铺展与生长,有望用于生物医学领域。(2)除了材料表面的拓扑结构对细胞产生重要的影响,调控材料表面的生物粘附性能同样具有重要意义。受自然界中鱼皮和爬山虎触角的特殊粘附特性的启发,以两性离子磺酸甜菜碱聚合物作为功能分子,分别通过浇注法和提拉浸渍法两种方式引入蜂窝状结构表面,形成了两种两性离子聚合物分布具有显著差异的生物界面。其中浇注法制备了两性离子聚合物全覆盖的改性界面,由于两性离子聚合物可以通过强的静电相互作用形成水化层,阻挡活体细胞和生物大分子的粘附,可实现界面抗生物粘附,具有学习鱼皮黏液抗污特点。而在提拉浸渍法改性膜上,两性离子聚合物则富集在孔穴中,具有仿爬山虎伪足多孔结构特征。由于多孔结构的空间限制,两性离子聚合物无法形成连续均匀的水化层。同时存在负压效应。这种仿爬山虎伪足的蜂窝状多孔结构体现为促进细胞粘附。该研究的特点是仿生自然,通过控制蜂窝状多孔结构表面是否形成水化层来调控界面的粘附性能。(3)在许多应用场合中,单一的粘附特性无法满足其应用需求。以载药和细胞工程为代表的应用需要材料界面实现智能响应粘附。为构筑智能响应的生物界面,我们首先通过等离子刻蚀的方法获得具有通透孔结构的蜂窝多孔结构。进一步,利用表面原位活性自由基聚合物RAFT的方法将刺激响应N异丙基丙烯酰胺聚合物接枝到孔穴中。当温度高于相转变温度时,温敏聚合物呈疏水性,收缩在孔穴部分,蜂窝状结构保留并提供较高的生物粘附能力;当温度低于相转变温度时,温敏聚合物由疏水向亲水性转变,发生溶胀并将孔穴填满。较过去单一的温敏聚合物平面,蜂窝状多孔结构的引入,有利于增强其刺激响应性:在正常培养温度37℃环境中细胞的粘附效率提高;当温度降低到相转变温度以下,细胞的脱离效率提高,有望用于细胞层工程。(4)通过前三章的工作,我们发现蜂窝状有序的二维六方结构对细胞的粘附行为起着重要的作用。因此,我们通过制备具有相同化学成分和相同二维六方拓扑分布,但在亚细胞尺寸的曲率是互补的界面来探究蜂窝状多孔结构对细胞生长的影响规律。数学建模结果显示蜂窝状负性曲率对细胞具有较大的感知粗糙度。因此,细胞在蜂窝状多孔结构表面以跨孔方式进行粘附。另外,由于蜂窝状多孔结构存在负压效应,细胞在蜂窝状膜表面表现出了强的粘附能力。我们通过张拉模型来解析细胞在不同亚细胞曲率界面上的力学变化:细胞在跨孔粘附生长过程,由于需要克服细胞的微重力,因此,在跨孔过程需要形成微管提供张力支撑。由于细胞的铺展需求,细胞在保持微管的前提下,容易形成取向极化生长。该研究为蜂窝状多孔结构进一步在生命科学领域的应用提供了理论基础。(5)单细胞分析是细胞学研究中一项具有巨大应用前景的新技术,蜂窝状多孔膜由于具有有序拓扑结构,可作为单细胞分析技术的基材来实现单细胞培养。我们通过相转移制备了有机溶液分散的氧化石墨烯溶液并制备出有序的二维六方石墨烯蜂窝状结构。其孔穴大小约为16μm和孔深度6μm,与单个细胞的尺寸具有较好的空间匹配。然后引入白蛋白对氧化石墨蜂窝状结构进行表面修饰,从而达到有效控制细胞粘附位点。更进一步地,将其应用到细胞限域实验中,可以获得较高的细胞限域效率,细胞呈单个分散落于蜂窝状膜的孔结构内部。