一种含拓扑形貌阵列表面的器件及其制备方法与应用

本发明属于材料表面改性，具体涉及一种含拓扑形貌阵列表面的器件及其制备方法与应用。

背景技术：

1、细胞在周边细胞、细胞外基质等生理微环境的机械刺激下会改变其外形和细胞核的形状，导致增殖、迁移、侵袭和分化等细胞行为的显著变化，进而影响发育、创伤修复和癌症进展等诸多重要生理、病理过程。为研究细胞外形变化与细胞核变形对细胞行为与命运的影响，科研人员基于微加工技术研发了一系列带有表面拓扑结构或细胞黏附反差图案的人造细胞外基质，以空间几何限制诱导细胞外形与细胞核形状发生主动变化，为体外研究带来了极大的便利，因而广泛应用于细胞生物学的基础研究领域中。

2、在体内，细胞外形变化与细胞核变形往往通过不同的途径改变细胞内信号通路的转导过程与基因表达。因此，探究细胞外形变化与细胞核变形各自对于表型转化等细胞行为的影响，需要独立地调控两个过程，即能够在细胞核变形程度相当的条件下改变细胞外形，且能够在细胞外形相同的条件下改变细胞核变形程度。然而，目前的表面拓扑结构和细胞黏附反差图案总是无法避免地同时改变细胞外形与细胞核形状，因而无法实现对这两个因素的独立调控，也就无法探究对它们各自对如癌细胞表型转化等细胞行为的影响。

3、因此，开发一种能够独立调控单个细胞的细胞外形与细胞核形状的人造细胞外基质将对细胞生物学、组织再生研究和癌症治疗等领域具有重大意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的第一个目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种能够独立调控单个细胞的细胞外形与细胞核形状的含拓扑形貌阵列表面的器件。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种含拓扑形貌阵列表面的器件，包括基底和位于基底表面的细胞黏附反差修饰，所述基底表面具有拓扑形貌阵列，所述拓扑形貌阵列包括非嵌合拓扑形貌阵列和嵌合拓扑形貌阵列。

4、拓扑形貌阵列是一种可以对细胞黏附造成空间限制的精准、可控的材料表面形貌，且拓扑图案的形状、尺寸和间距均能灵活调节，可用于细胞受限黏附、迁移、细胞核变形等细胞生物学的研究。细胞黏附反差修饰技术是一种在材料表面限制细胞可黏附的区域及其空间分布的技术，可用于单细胞阵列、细胞外形调控、细胞黏附的机制研究等领域。本发明公开的拓扑形貌阵列表面能够将拓扑形貌阵列与细胞黏附反差修饰技术相结合，实现对细胞外形与细胞核形状的独立调控。

5、进一步的，所述基底材料为无生物毒性的聚合物材料；所述位于基底表面的细胞黏附反差修饰为微坑内部具有促进细胞黏附的表面，微坑外部具有抗细胞黏附性质的聚合物分子层。

6、更进一步的，所述无生物毒性的聚合物材料包括聚苯乙烯ps、聚丙烯pp、聚乙交酯-共-丙交酯plga、聚左旋聚乳酸plla、硅橡胶、天然橡胶或有机玻璃；所述抗细胞黏附的聚合物为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷peo-ppo-peo三嵌段聚合物或聚环氧乙烷-聚环氧丙烷peo-ppo二嵌段聚合物。

7、本发明以无生物毒性的聚合物材料作为基底，适用于细胞生物学与分子生物学研究以及医疗领域的应用，具有广泛的潜在应用场景。特别的，对于ps等表面细胞黏附较差的聚合物，表面亲水处理是一种改善材料表面细胞黏附的方法。peo-ppo-peo和peo-ppo作为两种嵌段聚合物，其中的peo链段具有抗细胞黏附的性质，疏水的ppo链段能够在疏水表面自组装，从而暴露peo链段实现对疏水表面的抗细胞黏附修饰。

8、进一步的，所述非嵌合拓扑形貌阵列为微坑阵列；所述嵌合拓扑形貌阵列中的微柱阵列分布在微坑内部，且微柱高度低于微坑上沿。

9、值得说明的是，高度与间距适宜的微柱阵列是一种能够诱导细胞核主动发生显著变形的拓扑形貌。本发明所述的嵌合拓扑形貌阵列中微柱阵列位于微坑的内部，其高度、尺寸和间距范围保证微坑中细胞的细胞核能够发生显著变形，且高度不超过微坑，保持与微坑内部相同的表面修饰状态。

10、进一步的，所述微坑长径比在1-9之间，且投影面积为600-1200μm2，微坑间距不小于10μm，深度为5-15μm；微柱边长为2-7μm，高度为4-12μm，间距为3-12μm。

11、值得说明的是，本发明所述的微坑尺寸的范围能刚好容纳单细胞黏附，即不会过小导致细胞无法良好铺展，也不会过大导致可以容纳多个细胞；微坑的间距适宜，避免单个细胞横跨多个微坑的情况，同时合理缩小间距能够提高单细胞阵列的密度，进而提高细胞检测的信号通量。

12、本发明的第二个目的是提供如上所述的含拓扑形貌阵列表面的器件的制备方法。

13、一种如上所述的含拓扑形貌阵列表面的器件的制备方法，包括以下步骤：

14、i：通过微加工表面刻蚀技术在微柱阵列或光滑表面硅片上制备微坑阵列图案得到初始模板，后将聚二甲基硅氧烷pdms预聚物浇筑在初始模板表面并加热固化，脱模后得到pdms软模版；

15、ii：在步骤i得到的pdms软模版上浇筑聚合物溶液或预聚物溶液，待溶剂充分挥发或预聚物充分交联后脱模，得到含拓扑形貌阵列表面的器件；

16、iii：对步骤ii得到的含拓扑形貌阵列表面的器件进行等离子体处理，得到表面亲水的含拓扑形貌阵列表面的器件；

17、iv：将pdms预聚物浇筑在光滑表面硅片表面并加热固化，脱模后得到光滑表面的pdms印章；

18、v：以步骤iv得到的pdms印章，以步骤ii所述聚合物溶液的溶剂或ps的二氯甲烷溶液为印刷墨水，通过微接触印刷技术，破坏步骤iii得到的表面亲水的含拓扑形貌阵列表面的器件微坑外部等离子体处理后的亲水层，得到具有亲疏水反差表面的含拓扑形貌阵列表面的器件；

19、vi：对步骤iv得到的pdms印章进行等离子体处理，得到表面亲水的pdms印章；

20、vii：以步骤vi中得到的表面亲水的pdms印章，以抗细胞黏附聚合物的溶液为印刷墨水，在步骤v得到的具有亲疏水反差表面的含拓扑形貌阵列表面的器件上，通过微接触印刷技术制备得到具有细胞黏附反差修饰的含拓扑形貌阵列表面的器件。

21、值得说明的是，以光滑表面的软印章微接触印刷聚合物良溶剂，可以溶解等离子体处理后微坑外部材料表面的亲水层，重新暴露疏水表面，从而得到亲疏水反差表面，使得仅有疏水的微坑外部受到抗细胞黏附修饰，最终得到细胞黏附反差修饰。

22、进一步的，步骤vii中所述的抗细胞黏附聚合物溶液的溶质为peo-ppo-peo三嵌段聚合物或peo-ppo二嵌段聚合物，溶剂为乙醇或水。

23、本发明的第三个目的是提供如上所述的含拓扑形貌阵列表面的器件的应用。

24、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

25、所述器件在细胞与材料相互作用评价、基因和蛋白质组学、药效评价和癌症新药筛选领域的应用。

26、进一步的，所述器件在单细胞定位、细胞外形与细胞核形状的独立调控中的应用。

27、值得说明的是，材料表面的拓扑形貌和细胞黏附反差图案是研究细胞行为的重要工具和手段，虽然目前已有诱导细胞变形的黏附反差图案和诱导细胞核显著变形的微柱阵列等表面修饰策略，但是这些表面修饰无法实现分别调控细胞外形与细胞核形状，故而无法解耦这两个因素对细胞行为的影响。因此，建立能够独立调控细胞外形与细胞核形状的人造细胞外基质具有重要意义。本发明首次通过兼具细胞黏附反差修饰和拓扑形貌的修饰策略，建立了能够独立调控细胞外形与细胞核形状的单细胞阵列平台，并应用于细胞生物学和肿瘤转移机制、药效评价与筛选的相关研究。

28、应用时，含拓扑形貌阵列表面的器件在细胞培养过程中定位细胞黏附以得到单细胞阵列，并独立调控细胞外形和细胞核形状的变化。

29、具体的，在利用含拓扑形貌阵列表面的器件得到的单细胞阵列中施用转化诱导因子tgf-β1诱导癌症上皮细胞发生上皮-间质转化，在上皮-间质转化发生前后，评估转化程度受到细胞外形与细胞核形状变化的影响及其机制。特别的，在上皮-间质转化发生后，对单细胞阵列中的细胞施用顺铂等抗肿瘤药物，观察和评价药物作用下的细胞反应和作用效果。

30、与现有技术相比，本发明优点在于：

31、1)本发明公开了一种含拓扑形貌阵列表面的器件，用于定位细胞黏附并得到单细胞阵列，并能够独立调控细胞外形与细胞核形状，而以往的表面修饰方法无法做到。

32、2)依托本发明提供的技术方案，有效建立了用于癌细胞上皮-间质转化机制研究的单细胞阵列，与以往的体外模型相比，能够从单个细胞层面探究细胞变形与细胞核变形对上皮-间质转化的影响，更适合各种针对特定靶点的癌症药物的高通量筛选和基因蛋白质组学研究。

33、3)本发明构建的含拓扑形貌阵列表面的器件具有良好的稳定性、可操作性和可重复性，便于批量制备和推广；能够模拟体内不同的机械刺激条件，建立了更加有效的体外药效评估平台，避免了以动物为建模对象导致的成本问题和伦理争议。