PDMS在生物學(xué)研究中的應(yīng)用

PDMS在生物學(xué)研究中，更確切地說，PDMS的生物相容性是當(dāng)今生物學(xué)研究許多領(lǐng)域中的一個(gè)重要參數(shù)，因?yàn)槲⒘黧w和微流控芯片是研究器官芯片的各個(gè)方面的首選。
從技術(shù)的角度來看，能夠在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)制造出微流控設(shè)備，而不需要潔凈室設(shè)備，這對從微流控開始的研究團(tuán)隊(duì)來說仍然非常有吸引力。

此外，PDMS顯示出許多來自其固有屬性的優(yōu)勢：
1.PDMS具有生物相容性。
2.它很便宜。
3.透明(240 nm-1100 nm)。
4.它具有很低的自發(fā)熒光。
5.使用改進(jìn)的PDMS，它可以以幾個(gè)納米的分辨率進(jìn)行模塑。
6.通過簡單的等離子體處理，可以將PDMS復(fù)制品共價(jià)粘貼到玻璃基板上，形成密封的微流控器件。

交聯(lián)型PDMS嵌段

PDMS在生物學(xué)研究中的優(yōu)勢

PDMS在生物學(xué)研究中顯示出許多優(yōu)勢。以下是其中一些建議的摘要：

1. PDMS變形性使防泄漏的流體連接能夠輕松連接，通過PDMS微通道集成流體閥門，并用于檢測非常低的力，如細(xì)胞的生物力學(xué)相互作用。
2.這種彈性體對氣體也具有足夠的滲透性，從而可以為芯片細(xì)胞培養(yǎng)提供氣體。
3.在交聯(lián)過程中，可以使用簡單的紡絲涂層在襯底上以可控的厚度涂覆PDMS。這使得多層器件的制造和微閥的集成成為可能。

PDMS對生物學(xué)的不利影響

在生物學(xué)研究中使用PDMS也有一些缺點(diǎn)：

1. 很難將電極集成在一起或直接在其表面進(jìn)行沉積。
2.細(xì)胞生物學(xué)的主要缺點(diǎn)之一是PDMS可以從溶液中吸收生物分子和藥物等疏水小分子。此外，許多研究人員注意到蛋白質(zhì)在PDMS表面的吸附，這已被認(rèn)為是分子生物學(xué)的主要問題。對于細(xì)胞信號和藥物劑量反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，PDMS的使用會(huì)對最終結(jié)果產(chǎn)生強(qiáng)烈的偏差。為了克服這一問題，根據(jù)不同的應(yīng)用開發(fā)了許多PDMS表面處理方法。
3.反過來，不完整的網(wǎng)狀PDMS被懷疑在通道內(nèi)遷移。就此而言，這種聚合物已被用作萃取基質(zhì)，以從溶液中去除微量有機(jī)化合物。
4.在PDMS設(shè)備的細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中遇到的另一個(gè)問題是PDMS對水蒸氣的滲透性，導(dǎo)致通道中包含的水隨著時(shí)間的推移而蒸發(fā)。這種效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備完全干燥或介質(zhì)滲透壓發(fā)生變化。通常可以使用水合渠道網(wǎng)絡(luò)、介質(zhì)更新系統(tǒng)或濕度控制環(huán)境來克服這一問題。理想情況下，PDMS設(shè)備應(yīng)該在使用前幾個(gè)小時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以穩(wěn)定設(shè)備的濕度計(jì)。
5.PDMS對某些化學(xué)品的暴露很敏感。
6.PDMS是一種老化的材料，因此幾年后這種材料的機(jī)械性能可能會(huì)發(fā)生變化。

盡管存在這些局限性，PDMS微流控裝置仍被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞研究，并有可能越來越多地用于細(xì)胞生物學(xué)研究。
因此，有必要了解微尺度環(huán)境的影響，以便將在微流控裝置中獲得的結(jié)果與使用傳統(tǒng)方法獲得的生物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。
在微流控裝置中獲得的生物學(xué)結(jié)果已經(jīng)引起了細(xì)胞生物學(xué)的極大興趣，但仔細(xì)了解微型化所產(chǎn)生的條件變化和PDMS的性質(zhì)將有助于更好地理解這些結(jié)果。
傳統(tǒng)的孔板和PDMS微細(xì)胞培養(yǎng)在細(xì)胞增殖、葡萄糖消耗、基因表達(dá)模式和有絲分裂缺陷等方面存在顯著差異。Pguirigan和al使用了細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)(ICW)，它允許量化蛋白質(zhì)表達(dá)的變化，以顯示PDMS微系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)體外實(shí)驗(yàn)之間的信號通路激活和蛋白質(zhì)表達(dá)水平的差異。這些研究還顯示，當(dāng)葡萄糖消耗量增加3倍時(shí)，小鼠成纖維細(xì)胞的增殖受到顯著抑制。在PDMS微通道中觀察到較少的細(xì)胞進(jìn)行分裂，并顯示出幾種不同的細(xì)胞周期進(jìn)展問題，許多細(xì)胞停滯在S/G2期。

細(xì)胞行為的可能原因

對這種行為差異的一種解釋可能是，與多壁板相比，微尺度培養(yǎng)通常會(huì)增加細(xì)胞體積密度(以單位培養(yǎng)基為單位的細(xì)胞)，從而導(dǎo)致更快速的廢物積累和培養(yǎng)基消耗。但使用較高濃度的培養(yǎng)基對增殖影響不大;說明體積密度不是主要因素。

宏觀和微觀規(guī)模的培養(yǎng)系統(tǒng)之間存在這些差異的主要原因可能是：
未交聯(lián)低分子量聚合物也可以從聚合物中浸出到介質(zhì)中，單體可以與細(xì)胞膜的疏水部分相互作用。
介質(zhì)組分在PDMS中的吸收，特別是疏水分子。細(xì)胞培養(yǎng)上清液中的疏水性生長因子或脂類可以遷移到PDMS中。在PDMS中，作為細(xì)胞能量來源的脂質(zhì)的這種損失可能解釋了葡萄糖消耗量的增加。

克服這些問題的一個(gè)解決辦法是用適當(dāng)更新的細(xì)胞培養(yǎng)基進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，這樣可以排出廢物和更新營養(yǎng)物質(zhì)。

事實(shí)上，Leclerc&al表明，在不更換培養(yǎng)液的情況下，設(shè)備內(nèi)的葡萄糖和白蛋白濃度在三天后會(huì)下降，導(dǎo)致細(xì)胞死亡；但更新培養(yǎng)基可以讓白蛋白和葡萄糖濃度保持不變，并使細(xì)胞長期存活[6]。
以前提出的大多數(shù)微流控細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)都包括對流或擴(kuò)散介質(zhì)更新，具體取決于應(yīng)用。然而，這種方法對于細(xì)胞信號研究和藥物劑量反應(yīng)的確定等研究可能并不充分，在這些研究中，細(xì)胞吸收或產(chǎn)生的準(zhǔn)確分子數(shù)量至關(guān)重要。在這些情況下，介質(zhì)無更新和PDMS吸收可能會(huì)強(qiáng)烈地偏離結(jié)果。
關(guān)于介質(zhì)氣體成分，由于PDMS對氣體是滲透的，該材料允許通過PDMS壁擴(kuò)散足夠的O2更新用于細(xì)胞培養(yǎng)。
Leclerc和al表明，通過PDMS壁200微米的氣體擴(kuò)散足以滿足肝癌的長期培養(yǎng)[6]。然而，在這篇綜述之前引用的許多文獻(xiàn)描述了數(shù)周的細(xì)胞增殖和生長。他們都使用了一種培養(yǎng)基更新系統(tǒng)，以允許細(xì)胞在長期實(shí)驗(yàn)中正常生長。

結(jié)論

這篇綜述表明，PDMS在生物學(xué)研究中，更確切地說，PDMS的生物相容性在當(dāng)今生物學(xué)研究的許多領(lǐng)域都具有重要意義，因?yàn)槲⒘黧w和芯片實(shí)驗(yàn)室是研究微通道中各種參數(shù)(如流速)以及由此產(chǎn)生的剪應(yīng)力對細(xì)胞生長或細(xì)菌增殖的影響的首選。
多年來，PDMS的生物相容性已被證明。然而，它仍然非常依賴于它的環(huán)境(時(shí)間、濕度、溫度)，這可能會(huì)損害實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性。考慮到這項(xiàng)技術(shù)的局限性，在PDMS微系統(tǒng)中進(jìn)行相關(guān)的生物學(xué)研究是可能的。將需要進(jìn)行更多的研究，以確定在這種微系統(tǒng)中獲得的哪種結(jié)果將是可利用的，以及在什么條件下可以利用。一些實(shí)驗(yàn)室沒有嘗試糾正PDMS的內(nèi)在特性，如它的表面化學(xué)，而是開發(fā)和測試新的聚合物，這種聚合物可以實(shí)現(xiàn)與PDMS相同的技術(shù)潛力，具有更好的化學(xué)性質(zhì)。

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