生物材料的表面特性对材料表面与细胞的相互作用意义重大,其中材料表面电势在它们相互作用中扮演着至关重要的角色。表面电势能够决定粘附蛋白和细胞的命运,在调控细胞行为应用领域都有着广泛的应用前景。然而,如何充分利用表面电势的特性以达到更有效的调控细胞行为,同时更深入的阐明其背后的机理,依然是生物材料领域的一大挑战。本论文构建了均匀和呈图案化分布的表面电势,揭示了不同特性的表面电势对细胞响应的影响及其作用机理。采用光作为刺激方式,探究了光照射下单层石墨烯（Gr）/硅（Si）、Gr/二氧化钛（TiO₂）薄膜和Gr/TiO₂/p-Si的光生电荷的分布,表现为光致表面电势的改变,在此基础上,研究了Gr/Si和Gr/TiO₂/p-Si表面电势对BMSCs行为（粘附、增值、分化）的影响,以及Gr/TiO₂薄膜表面光生电荷对细胞脱附的影响,探究了表面电势与细胞相互作用的机理。主要取得了如下3方面的研究结果:1.基于Gr/TiO₂薄膜光生正/负电荷细胞脱附以聚乳酸（PLA）作为Gr转移支撑聚合物薄膜转移Gr,转移后的Gr具有干净的表面、晶格缺陷较少且有着更完整的单层结构。通过溶胶-凝胶法及分相自组装法在SiO₂基板上制备TiO₂纳米点（TN）,并将Gr转移到TN表面,获得Gr/TN薄膜。所获得的Gr/TN薄膜不仅有良好的紫外光响应,并且对可见光有良好的响应性。紫外光光照下,Gr/TN薄膜表面负电荷富集,表现为负的表面电势变化;可见光光照下,Gr/TN薄膜表面正电荷富集,表现为正的表面电势变化。光响应性Gr/TN具有良好的生物相容性,并可用于光诱导的细胞收割。在365 nm紫外光或450 nm可见光照射20min后,不同类型的细胞可以有效地从表面脱离,最高的细胞脱离率达到约95%。这种细胞脱附的机理是由于光照射产生电荷积累,进而使吸附的细胞外基质蛋白分子的构象改变为更无序的状态,并最终导致细胞分离,另外,Gr/TN上积累正电荷对吸附蛋白构象的变化和细胞脱附更为有效。这种对紫外光和可见光敏感的Gr/TN薄膜可以应用于光致细胞脱附领域。2.Gr/Si光致表面电势对干细胞成骨分化的影响Gr和Si的界面处形成了肖特基结,在可见光光照刺激下,对于Gr/n-Si,正电荷倾向于在Gr表面富集;对于Gr/p-Si,负电荷倾向于在Gr表面富集。在Gr/Si表面,光致表面电势对BMSCs细胞粘附、增值和细胞形貌无显著性的影响,但可以显著促进BMSCs的成骨分化。光致表面电势促成骨分化可以归因于电压门控Ca²⁺通道被激活,从而导致细胞内Ca²⁺的积累。此外,X射线光电子能谱仪能谱表征表明,表面光生电荷还可以通过促进或抑制成骨生长因子的吸附来影响BMSCs的分化。这种在Gr/Si上光致表面电势促进的BMSCs成骨分化在生物医学材料或骨再生应用设备中可能具有许多潜力。3.基于Gr/TiO₂/p-Si微区图案化电势调控骨髓间充质干细胞成骨分化行为通过溶胶-凝胶法及分相自组装法在p-Si表面制备TiO₂纳米点,然后以PLA将单层Gr转移至TiO₂/p-Si表面,获得Gr/TiO₂/p-Si,且可以通过控制TiO₂前驱液中的钛酸四丁酯的含量可以调控TiO₂的密度和尺寸。转移后的Gr保持良好的晶格和单层结构。Gr不仅与TiO₂有着良好的结合,而且Gr与p-Si也有着良好的结合。Gr/TiO₂/p-Si不仅对紫外外响应,而且对可见光具有良好的响应性,可见光照刺激下,Gr/TiO₂/p-Si表面呈现出微区图案化表面电势分布,且微区图案化表面电势的微区大小随着TiO₂尺寸的增加而增大。Gr/TiO₂/p-Si的生物相容性良好,在光照刺激下,Gr/TN2/p-Si上的粘附的BMSCs细胞的伪足有所减少,并且光照对细胞粘附和增值行为影响不大。Gr/TiO₂/p-Si的光生图案化表面电势会抑制BMSCs的成骨分化效果,并且抑制效果随着微区图案化电势的微区大小的增加而增加。本论文揭示了不同特性表面电势的调制,获得了均匀分布和呈微区图案化分布的表面电势,探究了两种不同特性的表面电势对细胞粘附、增值、分化和脱附行为的影响,并初步阐明了光致表面电势与细胞行为之间可能的机理。这些对深入理解和应用表面电势调控细胞响应具有重要意义。