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关键词： 生物抗污材料   聚半乳糖醛酸   两性离子   预防术后粘连   细胞筛选  

摘要： 生物污染主要是由非特异性蛋白质、细胞以及细菌的黏附所引起,导致炎症反应、纤维增生和表面失活等问题,给组织再生和医用材料领域带来诸多困扰。近年来,生物材料的迅猛发展显著推动了医学的进步,目前,通过抗污分子的表面修饰来保护医疗器械或体内植入物的技术相对成熟,但具有良好抗污能力的多功能生物材料的研发仍处于起步阶段。天然多糖在临床上的应用相当广泛,具备出色的生物相容性、生物降解性、可加工性、可修饰性等优势。而两性离子材料可通过水合作用形成抗污屏障,极大程度地抵抗蛋白质的吸附,具有良好的生物相容性,并具备抑制炎症和加速修复的功能。本文以天然多糖聚半乳糖醛酸(PGA)和甲基丙烯酸酯化甜菜碱为主要研究对象,分别制备了具有药物缓释功能的PGA/聚乙烯醇(PVA)自愈合水凝胶,可注射光响应PGA抗污水凝胶和E7多肽功能化PGA水凝胶微载体,用于预防术后粘连及干细胞筛选。重点研究了两性离子与PGA及其衍生物的合成方法,探索了两性离子含量对材料抗污能力的影响,探究了两性离子对体内炎症信号的调节作用,对细胞生长与增殖的影响,以及预防术后粘连的可能作用机制,并开发了一种简便的、针对多糖的特异性活性表面构建方法,成功用于干细胞筛选。全文主要内容与结论如下: 1.两性离子修饰PGA衍生物的合成研究。以过硫酸铵为引发剂,通过自由基加成反应将甲基丙烯酸酯化甜菜碱接枝到PGA及其衍生物上,分别合成了磺酸甜菜碱(DMAPS)接枝的PGA-DMAPS和磷酸甜菜碱(MPC)接枝的PGA-MPC,并在此基础上进一步合成了氨基苯硼酸(APBA)修饰的PGA-DMAPS-APBA和甲基丙烯酸酯化的PGAMA-MPC。通过对所制备的一系列PGA衍生物的结构分析以及水凝胶的抗污效果证实了两性离子修饰多糖的成功合成,同时后续的合成也不会影响两性离子接枝的稳定性。 2.磺酸甜菜碱修饰自愈合PPDA水凝胶的制备及其抗黏附性能研究。通过利用PGA-DMAPS-APBA和PVA之间形成的硼酸酯键,构建了自愈合、可注射的抗污水凝胶PPDA。研究发现,当PGA-DMAPS-APBA浓度为3wt%、PVA浓度为2wt%时,PPDA水凝胶的表现出最优的综合性能:注射力约为20 N,自愈合速度约为13 s,机械性能稳定。与不含磺酸甜菜碱的水凝胶相比,PPDA的蛋白黏附性降低了 50%,仅为19.4 ug/mL,成纤维细胞黏附性降低了 75%,几乎屏蔽了细胞黏附。同时PGA-DMPAS-APBA是出色的药物载体,能搭载槲皮素(Que)实现了药物缓释,在120小时内平稳释放药物,由于硼酸酯键的环境响应性,在弱酸条件下加速释放,更有利于伤口愈合。该水凝胶在大鼠盲肠腹壁损伤模型中展现出良好的保护效果,证实其作为预防术后粘连材料的可行性。 3.磷酸甜菜碱修饰的光响应水凝胶的制备及其预防术后粘连的探索。通过控制MPC的投料比合成了一系列PGA-MPC衍生物,研究证实,MPC的接枝率与材料的抗污性能呈现正相关,随着接枝率的增加,水凝胶的亲水性增加,抗蛋白吸附效果增强,细胞和细菌的黏附率逐渐降低。光响应特性使PGAMA-MPC水凝胶在大鼠盲肠上原位交联,避免了商品化防粘连膜无法处理复杂组织表面与需要额外固定的缺陷。水凝胶屏障在体内展现出良好的保护效果,通过降低创口部位NF-κB的表达来减轻炎症反应,调控TGF-β1/Smad通路以避免显著的纤维增生与胶原沉积。推断PGAMA-MPC可能通过调节上述通路来阻止术后粘连的形成。 4.结合E7多肽的生物活性微载体的制备与细胞筛选。本研究进一步拓展了抗污材料的应用范围,利用PGAMA与PGA-DMPAS以不同比例制备了一系列微载体。通过PGAMA与半胱氨酸修饰的E7多肽之间的点击反应,实现了细胞选择性多肽在PGA微载体上的固定,大幅提升了干细胞的特异性黏附率。同时,接枝的两性离子的几乎屏蔽了所有非目标细胞的黏附,实现了精准高效的间充质干细胞结合能力。其中,PGAMA与PGA-DMPAS以1:3混合制备的PPDA1微载体效果最佳,间充质干细胞筛选精度超过95%。该研究为特殊活性表面的构建和生物组分的筛选提供了新思路。

关键词： 温度感知   温度敏感型离子通道   TRPM8通道   基因起源   冷激活功能的演化   光热感光   少棘蜈蚣   BRTNaC1   新型热敏感离子通道  

摘要： 温度是影响生物多样性的关键因素之一,能够调控动物分布、迁移、生殖、发育等重大生命活动。从冰天雪地的极地冰川到烈日炎炎的赤道沙漠均有动物分布,这就需要不同动物对环境温度的精确感知和适应。温度敏感型离子通道是动物响应外界温度信号的分子基础,可以直接介导动作电位的产生并投射入脑,实现对温度的感知。因此,理解动物温度敏感型离子通道的基因的起源和分子功能多样性是揭示动物温度感知和适应的重要关键。此外,探究温度敏感型离子通道是否能够参与动物其他感知觉的形成,亦是在动物生存适应研究领域中解析温度信号转导机理的一个关键突破口。 本论文以温度敏感型离子通道的识别、分子结构功能进化、生理机制的探究为切入点,探讨了温度敏感型离子通道介导的动物适应性进化策略。具体分为两部分工作:第一部分是以脊椎动物冷敏感受体TRPM8通道为研究对象,探究通道基因的起源和冷激活功能演化机制;第二部分是以少棘蜈蚣(Scolopendra subspinipes mutillans)避光行为为研究切入点,探究少棘蜈蚣利用BRTNaC1新型热敏感通道介导间接感光的分子机制。 TRPM8通道是脊椎动物感知外界低温的重要受体,该受体基因的产生和通道温度门控的机制一直是学术界关注的焦点之一,对于这类科学问题的探究有着重要的生物学意义。在第一部分的研究中:(1)通过对多个物种基因组分析表明,在所有鱼类中,只有肺鱼(Protopterus aethiopicus)进化出了trpm8基因。从动物登陆的角度来理解,肺鱼trpm8基因的出现是为了感知海洋和陆地之间比热差异所导致的复杂温度变化而做出的基因准备。(2)通过对肺鱼trpm8基因及其同源基因的比较分析发现,trpm8基因是由同一染色体上trpm2基因外显子的重排产生的,而初始的肺鱼trpm8基因并不具备编码冷激活功能的受体能力。(3)通过正选择分析、点突变、功能结构域嵌合、电生理膜片钳等技术手段证明MHR1-3结构域是TRPM8通道响应低温的重要结构元件,陆生动物利用这一元件的功能进化实现了低温感知。并且在圆二色谱、分子筛层析、ANAP荧光标记、Rosetta蛋白模拟实验中,也证明了MHR1-3结构域能够独立响应低温刺激并发生蛋白构象的转变。(4)通过非洲象和企鹅TRPM8的功能比较研究,发现孔区氨基酸侧链的疏水性能够调控TRPM8的低温激活效率。综上,这些实验结果表明TRPM8通道MHRs1-3结构的形成是脊椎动物登陆过程应对陆地温度剧烈变化的重要进化事件,TRPM8通道孔区结构疏水性的调节参与了陆生脊椎动物对不同生境温度的适应。 光周期调节动物的活动节律,准确感知光信号是动物进行生命活动的必要前提之一,但目前的研究仍无法解释盲视动物在视觉缺陷以及不具备编码感光受体生理条件下的感光机制。在第二部分研究中,本文基于自然界中动物光热效应的理解,提出盲视动物利用热敏感受体进行非视觉感光的假设,以盲视动物少棘蜈蚣为研究范式探究感光的分子机制:(1)通过构建光暗选择模型结合微米级红外成像系统证明触角具备高效的光热转换能力,同时应用钙荧光成像技术,实时温度记录系统证明位于触角皮下神经元细胞具有热敏感性,发现了少棘蜈蚣光热感光行为及介导该行为的关键器官。(2)通过触角全长转录组数据库构建、蛋白跨膜结构域预测、组织差异表达基因分析和蛋白结构模拟等分析手段构建了候选基因库,利用基因外源表达、原位杂交共定位实验、电生理膜片钳和瞬时红外加热等实验手段,成功鉴定出一个新型热敏感离子通道,BRTNaC1通道,并验证该通道多个生物物理特性。(3)通过点突变实验、细胞膜片钳实验,解析了BRTNaC1通道酸依赖性热激活的分子机制,D217、E218位点质子化赋予BRTNaC1热激活的功能。(4)通过功能性药物筛选后发现,睾酮能够特异性抑制BRTNaC1通道的热激活,在动物水平上,验证了睾酮能够干扰该通道介导的少棘蜈蚣感光避光行为。综上,通过对新型温度敏感离子通道BRTNaC1的识别和功能研究,表明了BRTNaC1通道是少棘蜈蚣光热感光行为的分子基础。 本文通过对脊椎动物冷敏感型离子通道TRPM8和无脊椎动物新型热敏感通道BRTNaC1的研究,探索了温度敏感型离子通道参与的动物适应性进化。首先,我们通过对脊椎动物冷敏感通道trpm8基因的起源和TRPM8通道冷激活功能演化过程的研究,揭示了trpm8基因的起源和冷激活功能调节对脊椎动物登陆演化以及陆生脊椎动物生境温度适应的生物学意义;通过对无脊椎动物少棘蜈蚣BRTNaC1通道的识别和功能研究,揭示了动物不依赖光敏感受体的非视觉间接感光机理,拓展了对温度敏感离子通道参与生物学功能的认识。因此,本研究围绕温度敏感型离子通道的发现、功能结构域的进化、生理功能的验证展开,揭示了它们参与重大生物学演化事件和关键特化

关键词： 探地雷达   土壤含水量   介电常数   盐碱土   电导率  

摘要： 土壤是地球上不可或缺的自然资源,具有极其重要的地位和功能。它在生态系统、农业、水资源管理、建设和环境保护中发挥着关键的作用。土壤含水量(Soil Water Content,SWC)的测量在农业、生态学、水资源管理和土地规划等领域具有极其重要的作用。传统的SWC测量方法测量结果准确,但基于点测量方式及对土壤结构的破坏性,使其难以满足定期重复测量及在具有强非均质性土壤中的探测需求。因此,找到一种快速、高效、无损的,并适用于多种土壤环境的含水量探测方法,对于分析、评价和水土保持具有重要意义。 探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)是在田块尺度上对SWC进行无损探测的一种有利工具。GPR的早期信号分析方法可以用于估计浅层SWC分布。早期信号的振幅包络平均值(Average Envelope Amplitude,AEA)通过现场时域反射仪(Time Domain Reflectometer,TDR)校正后确定土壤介电常数与AEA之间的统计关系,进而估计SWC。土壤是一种典型的非均质性介质,土壤的非均匀程度受土壤耕作方式的影响。因此,我们讨论了不同耕作方式下土壤非均质性特征及AEA法估计非均质土壤的SWC的能力。首先,我们建立了一个多尺度随机介质模型,即介电常数和电导率呈非均匀分布,并通过时域有限差分法模拟GPR响应,以观察介质的非均匀性对GPR响应的影响。利用地质统计学的半方差函数来评估土壤模型的非均匀性程度,该方法包括两个参数,即相关长度和变异性。我们分析了土壤变异性参数与早期信号的AEA之间的关系。土壤非均匀性增强会增加AEA方法在估算SWC时的误差。最后,使用AEA方法估算了不同耕种方式引起的两块非均匀性不同的相邻田地的SWC。尽管深耕土壤的强非均匀性增加了含水量估计的误差,但估算结果与TDR及烘干称重法测得的含水量进行比较,含水量绝对误差小于3%,说明AEA方法在耕地SWC探测中是适用的。 根区土壤的结构通常受到根系生长作用的影响,具有较好的通透性和保水性。根区土壤中粗根会在GPR图像中呈现出双曲线的形状特征。通过双曲线识别推算电磁波在土壤中的传播速度,进而估计SWC。随机霍夫变换(Randomized Hough Transform,RHT)是一种GPR图像双曲线模式检测的经典算法。针对RHT需手动标定GPR图像中的双曲线区域这一局限,本研究在图像处理的基础上结合卷积神经网络来自动识别双曲线区域,然后估算土壤中电磁波速度与根深度。最后,利用反距离加权插值方法给出根区土壤的含水量。利用实验室室内的砂箱实验和野外的原位实验数据评估了本方法流程,实验结果表明本方法流程用于根区SWC估算是可行的。 土壤盐碱化使大量耕地退化到无法耕种,是当今世界面临的严重问题。加强土壤盐碱化范围和程度的监测是至关重要的。土壤电导率是对盐碱土盐碱化程度进行分级的重要参数。土壤中的水分和盐分的存在都会导致土壤的电导率升高,而电导率的变化将影响GPR数据振幅的强弱。我们在实验室中制作了含有不同水分和盐分的土壤样本,使用开口同轴探头法测量了这些土壤样本的复介电常数,分析了随含水量和含盐量的不同,土壤复介电常数的变化规律。研究结果表明盐化草甸土的介电常数实部随含盐量的变化很小,它主要受SWC的影响,介电常数实部与含水量之间符合Topp公式关系。我们对位于吉林省白城市的盐碱土研究区进行了GPR探测,然后用AEA方法估计了该区域的SWC。估计结果与烘干称重法和TDR获得的SWC进行了比较,验证了AEA方法在盐碱土中应用的适用性。 在大多数介质中电磁波的衰减是与频率成正比的。入射波的高频分量在传播过程中比低频分量衰减得更多,因此观察频谱时会发现质心经历了频率的下降。高含盐量的土壤具有更高的电导率。土壤样本复介电常数的测量结果也表明,复介电常数的虚部随含盐量的增加而增大,这表明电磁波在盐碱土中传播会发生更大的衰减。针对白城市盐碱土研究区,我们使用线性最小二乘拟合方法来计算GPR接收信号的质心频率下降率,并分析得到电导率与质心频率下降率是成正比的。然后,我们将电导率和质心频率下降率用统计学关系联系起来,定量地估算了研究区土壤电导率的分布,与在实验室中测得的土壤样品电导率相比显示了良好的一致性。本文提出的电导率估算方法可进一步应用于盐碱地调查中土壤盐碱化的范围和程度的监测。

关键词： 氩弧熔覆   原位自生   镍基复合涂层   Al2O3   耐磨性  

摘要： Q235钢是一种低碳钢,有较好的强度、韧性和成形性,广泛应用于化工、船舶、车辆等领域,但其硬度低,耐磨性差,无法应对当前日益复杂的工况环境。本文利用氩弧熔覆技术,以Ti粉、AlO粉、Ni60A粉和石墨烯粉的混合粉末作为熔覆材料,在Q235钢表面制备TiC+AlO/Ni基复合涂层。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度测试仪及摩擦磨损试验机等设备,研究了工艺参数对涂层稀释率和显微硬度的影响,探究了不同质量分数AlO对涂层显微组织及表面性能的影响,以及基体与涂层的磨损形貌,分析涂层的磨损机制。主要研究内容如下: （1）选定Ti粉、石墨烯粉、Ni60A粉的质量比为4:1:20,AlO质量分数为5wt.%时混合粉末进行机械球磨,通过设计正交实验制备出氩弧熔覆涂层,探究熔覆电流、熔覆速度、电弧长度等因素对涂层稀释率和显微硬度的影响。结果表明,当熔覆电流为120 A、熔覆速度为2 mm/s、电弧长度为2 mm、氩气流量为12L/min、预置粉末厚度为1 mm时,制备的涂层显微硬度最高的同时稀释率小于50%,且涂层与基体结合良好。 （2）通过研究不同AlO质量分数对涂层组织结构的影响,结果表明,未添加AlO时,涂层内存在TiC和Fe Cr Ni相,组织较粗大;当AlO质量分数在5wt.%～20wt.%时,涂层内物相主要由TiC、AlO、Ni Al和MC组成,Ni Al相的生成说明了在氩弧熔覆过程中AlO受热熔化分解,Al元素在熔池内与Ni形成了Ni Al相;当AlO质量分数达到25wt.%时,涂层内出现Fe Cr Ni相,并发现了少量气孔。AlO的加入使得涂层显微组织细化,但AlO质量分数达到20wt.%时,出现组织分布不均匀的现象;当AlO质量分数为15wt.%时,熔覆涂层内组织致密,分布均匀。 （3）通过研究不同AlO质量分数对涂层显微硬度和耐磨性的影响,结果表明,随着AlO质量分数由0wt.%增加至25wt.%,涂层显微硬度先升高后降低,未添加AlO的涂层硬度最低,为606.5 HV,当AlO质量分数为15wt.%,涂层平均显微硬度最高,可达783.6 HV;涂层的摩擦系数及磨损量随AlO质量分数增加先降低再升高,AlO添加量为15wt.%时涂层磨损量最少,耐磨性最好,较基体提高10倍。未添加AlO涂层磨损机制主要为黏着磨损和磨粒磨损,添加AlO后黏着磨损现象减少,主要的磨损机制为磨粒磨损。

关键词： 老年人   骨质疏松性   胸腰椎骨折   聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥椎体成形术   临床疗效  

摘要： 目的 观察经皮椎体成形术（PVP）中应用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥治疗高龄骨质疏松性胸腰椎骨折（OVCF）的临床效果。方法 选择2021年1月-2022年7月医院收治的130例高龄OVCF患者纳入研究，在组间性别、年龄、病程等基线资料均衡可比的原则上，按随机数表法分为观察组65例患者，给予PMMA骨水泥PVP；对照组65例患者，均予保守治疗。对比两组临床疗效。结果 治疗前，两组患者目测类比评分、Oswesty功能障碍指数（ODI）评分、伤椎前缘压缩度、椎体后凸Cobb角比较，差异无统计学意义（P>0.05）。治疗后1、3、6、12个月，两组患者目测类比评分、ODI评分均明显降低，且观察组患者各时点的目测类比评分、ODI评分均低于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）。治疗后3、6、12个月，对照组患者伤椎前缘压缩度、椎体后凸Cobb角变化不明显，观察组患者伤椎前缘压缩度呈现增加趋势，椎体后凸Cobb角呈现缩小趋势，且观察组患者两指标的变化幅度明显高于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）。结论 采取PMMA骨水泥PVP治疗可降低高龄OVCF患者的疼痛程度及椎体后凸Cobb角，提高患者伤椎前缘压缩度，有利于恢复和改善其伤椎生理结构及胸背部生理功能，对其功能恢复更为有益。

关键词： 聚甲基丙烯酸甲酯   氮化硼   导热性能   复合材料  

摘要： 聚合物基导热复合材料因其质轻、耐腐蚀以及易加工等特性,在5G通信、电子封装、发光二极管(LED)以及能量传输等行业广泛应用。当前聚合物自身导热性能较差而向其填充高导热粒子仍是一种简便、高效制备导热复合材料的方法。为获取粒子分散均匀的新型导热复合材料,首先以价格低廉、来源广泛的甲基丙烯酸甲酯(MMA)为反应单体,分别采用过氧化苯甲酰/N,N-二甲基苯胺(BPO/DMA)、过氧化苯甲酰/N,N-二甲基对甲苯胺(BPO/DMT)、过氧化十二酰/N,N-二甲基苯胺(DPO/DMA)和过氧化十二酰/N,N-二甲基对甲苯胺(DPO/DMT)四种引发剂,利用自由基本体聚合方法制备了一系列线性PMMA,并以两种不同粒径六方氮化硼(h-BN)为填料,使用原位聚合方法制备了一系列热塑性PMMA基复合材料,研究了填料粒径、填充量对热塑性PMMA基复合材料结构和性能的影响;还以甲基丙烯酸2-(叔丁基氨基)乙酯(t BAEMA)为交联剂,将由BPO/DMT、DPO/DMA两种引发剂引发合成的线性PMMA进行了交联处理,研究了交联剂用量对交联PMMA微观结构及宏观性能的影响;最后以两种不同粒径六方氮化硼(h-BN)为填料,使用原位聚合和交联固化方法制备了一系列热固性PMMA基复合材料;使用傅立叶红外光谱仪(FTIR)、差示扫描量热仪(DSC)、热重分析仪(TGA)、激光导热仪、万能电子试验机、扫描电子显微镜(SEM)等研究了PMMA及复合材料的微观结构、热学和力学宏观性能。具体工作内容如下: (1)以MMA为反应单体,BPO/DMA、BPO/DMT、DPO/DMA、DPO/DMT为引发剂,采用本体聚合法合成了一系列线性PMMA,研究了PMMA的分子量及分子量分布、微观结构和力学、热学性能。结果表明,由BPO/DMA引发合成的PMMA与由DPO/DMA引发合成的PMMA均具有较高的导热系数,分别为0.249 W/(m·K)和0.247W/(m·K);由DPO/DMA引发剂合成的线性PMMA的分子量分布相对较宽,热稳定性较好,综合力学性能较好。 (2)分别以5μm和20μm h-BN为填料,以MMA为反应单体,分别以BPO/DMA、BPO/DMT、DPO/DMA、DPO/DMT为引发剂,采用原位聚合方法制备了热塑性h-BN/PMMA复合材料,研究了h-BN质量分数和粒径对材料结构与性能的影响。研究表明,随着h-BN质量分数增大,得到的复合材料中PMMA基体的分子量分布均匀性提高,复合材料的导热系数、热稳定性、拉伸模量和弯曲模量也相应提升;与添加5μm粒径h-BN制备的h-BN/PMMA复合材料相比,添加粒径20μm h-BN制备的h-BN/PMMA复合材料导热系数较高;其中,由BPO/DMT引发聚合并添加20%20μm h-BN制备的h-BN/PMMA复合材料导热系数比未添加填料的PMMA聚合产物提高近189%,且在同等填充量下其热稳定性、拉伸模量和弯曲模量均优于5μm h-BN所制备的复合材料。 (3)为了研究热固性PMMA基体,对PMMA进行交联处理。以甲基丙烯酸2-(叔丁基氨基)乙酯(t BAEMA)为交联剂,将以BPO/DMT、DPO/DMA为引发剂合成的PMMA进行交联处理,制备了热固性PMMA。研究了t BAEMA不同摩尔比对PMMA结构与性能的影响。研究表明,随着t BAEMA摩尔比增加,交联PMMA导热性能、热稳定性和力学性能均得到提高。当t BAEMA与MMA的摩尔比为0.1时,以BPO/DMT和DPO/DMA为引发剂制备的两种热固性PMMA的导热性能均达到最佳,导热系数分别为0.237 W/(m·K)和0.249 W/(m·K)。 (4)为了探究填料粒径和填充量对热固性PMMA复合材料结构与性能的影响,分别以(5μm和20μm)h-BN为填料,以MMA为单体,以DPO/DMA引发剂,以交联剂t BAEMA摩尔比为0.75,制备热固性h-BN/PMMA复合材料。研究了填料粒径和质量分数对复合材料结构与性能的影响。结果表明,随着h-BN质量分数增大,热固性h-BN/PMMA复合材料的导热系数逐渐提高。当h-BN质量分数为20%时,5μm和20μm h-BN填充的复合材料的导热系数比热固性PMMA基体分别提高了136%和327%。