PDMS在生物學研究中的應用

PDMS在生物學研究中，更確切地說，PDMS的生物相容性是當今生物學研究許多領域中的一個重要參數(shù)，因為微流體和微流控芯片是研究器官芯片的各個方面的首選。
從技術的角度來看，能夠在幾個小時內(nèi)制造出微流控設備，而不需要潔凈室設備，這對從微流控開始的研究團隊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.使用改進的PDMS，它可以以幾個納米的分辨率進行模塑。
6.通過簡單的等離子體處理，可以將PDMS復制品共價粘貼到玻璃基板上，形成密封的微流控器件。

交聯(lián)型PDMS嵌段

PDMS在生物學研究中的優(yōu)勢

PDMS在生物學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，如細胞的生物力學相互作用。
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對生物學的不利影響

在生物學研究中使用PDMS也有一些缺點：

1. 很難將電極集成在一起或直接在其表面進行沉積。
2.細胞生物學的主要缺點之一是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在PDMS表面的吸附，這已被認為是分子生物學的主要問題。對于細胞信號和藥物劑量反應的實驗，PDMS的使用會對最終結果產(chǎn)生強烈的偏差。為了克服這一問題，根據(jù)不同的應用開發(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，以從溶液中去除微量有機化合物。
4.在PDMS設備的細胞生物學實驗中遇到的另一個問題是PDMS對水蒸氣的滲透性，導致通道中包含的水隨著時間的推移而蒸發(fā)。這種效應可能會導致設備完全干燥或介質滲透壓發(fā)生變化。通?？梢允褂盟锨谰W(wǎng)絡、介質更新系統(tǒng)或濕度控制環(huán)境來克服這一問題。理想情況下，PDMS設備應該在使用前幾個小時進行調節(jié)，以穩(wěn)定設備的濕度計。
5.PDMS對某些化學品的暴露很敏感。
6.PDMS是一種老化的材料，因此幾年后這種材料的機械性能可能會發(fā)生變化。

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

細胞行為的可能原因

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)通常會增加細胞體積密度(以單位培養(yǎng)基為單位的細胞)，從而導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中，單體可以與細胞膜的疏水部分相互作用。
介質組分在PDMS中的吸收，特別是疏水分子。細胞培養(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，作為細胞能量來源的脂質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解決辦法是用適當更新的細胞培養(yǎng)基進行細胞培養(yǎng)，這樣可以排出廢物和更新營養(yǎng)物質。

事實上，Leclerc&al表明，在不更換培養(yǎng)液的情況下，設備內(nèi)的葡萄糖和白蛋白濃度在三天后會下降，導致細胞死亡；但更新培養(yǎng)基可以讓白蛋白和葡萄糖濃度保持不變，并使細胞長期存活[6]。
以前提出的大多數(shù)微流控細胞培養(yǎng)系統(tǒng)都包括對流或擴散介質更新，具體取決于應用。然而，這種方法對于細胞信號研究和藥物劑量反應的確定等研究可能并不充分，在這些研究中，細胞吸收或產(chǎn)生的準確分子數(shù)量至關重要。在這些情況下，介質無更新和PDMS吸收可能會強烈地偏離結果。
關于介質氣體成分，由于PDMS對氣體是滲透的，該材料允許通過PDMS壁擴散足夠的O2更新用于細胞培養(yǎng)。
Leclerc和al表明，通過PDMS壁200微米的氣體擴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描述了數(shù)周的細胞增殖和生長。他們都使用了一種培養(yǎng)基更新系統(tǒng)，以允許細胞在長期實驗中正常生長。

結論

這篇綜述表明，PDMS在生物學研究中，更確切地說，PDMS的生物相容性在當今生物學研究的許多領域都具有重要意義，因為微流體和芯片實驗室是研究微通道中各種參數(shù)(如流速)以及由此產(chǎn)生的剪應力對細胞生長或細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(時間、濕度、溫度)，這可能會損害實驗的重復性?？紤]到這項技術的局限性，在PDMS微系統(tǒng)中進行相關的生物學研究是可能的。將需要進行更多的研究，以確定在這種微系統(tǒng)中獲得的哪種結果將是可利用的，以及在什么條件下可以利用。一些實驗室沒有嘗試糾正PDMS的內(nèi)在特性，如它的表面化學，而是開發(fā)和測試新的聚合物，這種聚合物可以實現(xiàn)與PDMS相同的技術潛力，具有更好的化學性質。

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