水凝胶微孔阵列的微孔形貌、孔径和孔深对其中培养的细胞的行为产生直接的影响[1,1

水凝胶微孔阵列的微孔形貌、孔径和孔深对其中培养的细胞的行为产生直接的影响[1,14~16]. 例如, Khademhosseini小组[14]的研究表明相对于圆柱形和锥形的水凝胶微孔阵列, 半球形的水凝胶微孔阵列更有利于形成球形的细胞团聚体; 水凝胶微孔阵列中微孔的大小直接影响干细胞的分化能力[16], 如直径450 m的微孔有利于胚胎干细胞向心肌细胞的分化, 而直径150 m的微孔有利于胚胎干细胞向内皮细胞的分化; 孔深的不同也对细胞的活性和行为产生不同程度的影响[1], 如孔深50 m的水凝胶微孔底部的剪切力小于孔深20 m的, 而剪切力的大小又影响细胞的分化行为. 因此, 对水凝胶微孔阵列中微孔形貌的表征是研究其用于细胞培养的重要步骤. 表征水凝胶微孔阵列形貌的传统手段主要为光学显微镜(如相差显微镜[1]和激光共聚焦显微镜[10])和电子显微镜(如扫描电子显微镜[17]). 但这些方法存在一些缺陷, 如都缺乏在水溶液中对水凝胶微孔阵列进行原位、可逆表征的能力. 如相差显微镜虽能给出水凝胶微孔阵列的形貌和孔径等信息, 但由于表征时水凝胶的水分会对光产生折射等作用, 在水溶液环境中很难得到清晰的水凝胶微孔阵列的立体图像; 激光共聚焦显微镜虽然可以较好地给出水凝胶微孔阵列的三维信息, 但在表征前需要对水凝胶进行染色前处理, 是一种不可逆的非原位表征手段; 扫描电子显微镜虽然在三维表征和最小分辨率方面优于前两种表征手段, 但表征水凝胶样品前, 需对其进行冷冻、干燥、喷金等前处理, 不仅对水凝胶样品产生破坏, 并且得到的是干燥后的水凝胶微孔阵列的形貌, 不能真实反映水溶液中水凝胶微孔阵列的自然形貌, 是一种有损伤且非原位的表征手段. 因此, 需要一种可在水溶液中无损、可逆且原位表征水凝胶微孔阵列形貌信息的新方法. 扫描电化学显微镜(scanning electrochemical microscopy, SECM)是一种应用微米级电极为探针, 通过记录电解质溶液中物质的氧化或还原电流得到基底物质的表面形貌和化学信息的新型电化学表征技术[18~25]. 由于具有可在水溶液中原位、可逆且无损地表征样品, 并具有高空间分辨率和可提供样品三维信息的特点, SECM已被用于表征细胞培养的基板材料中[18, 26~28]. 目前, SECM用于表征水凝胶形貌的研究还处于起始阶段, 只有近期发表的2篇相关报 道[18, 29]. 2010年, Jeerage等[18]首次应用SECM对水溶液中的聚乙二醇水凝胶的表面微孔形貌进行了无损表征, 但实验中他们向水溶液中额外加入了甲醇二茂铁作为电对。 2013年, 我们课题 组[29]基于氧气这种水溶液中的天然电对在SECM探针附近的还原电流, 首次应用SECM原位跟踪了水溶液中自愈合水凝胶形貌随时间变化的三维信息. 该方法的优势在于不需要在表征体系中加入任何其他化学物质, 利用水溶液中的氧气便可实现对水凝胶材料的原位表征, 为细胞培养体系中水凝胶基板材料的原位表征奠定了基础. SECM的以上优点和应用实例预示着利用水溶液中氧气对水溶液中的水凝胶微孔阵列进行表征应用的可行性. 本文基于水溶液中氧气这种天然电对, 应用SECM对水溶液中的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯水凝胶微孔阵列的形貌进行了原位表征, 得到了水凝胶二维孔径和三维形貌信息. 相比光学显微镜和电子显微镜的常规表征手段, SECM是可在水溶液中对水凝胶微孔阵列形貌进行原位、可逆、无损表征及提供三维形貌信息的新方法. SECM实验 SECM实验采用三电极体系: 直径10 m的Pt圆盘电极(RG(b/a) = 3~4, b为整个电极的半径, a为Pt丝的半径)为工作电极和SECM探头, Ag/AgCl电极为参比电极, Pt丝为对电极. 具体实验体系如图1(c)所示, 将1 cm ×1 cm的PEGDMA水凝胶微孔阵列样品置于含0.1 mol L1 KCl水溶液的SECM电化学池底部, SECM探头浸于水溶液中并置于微孔阵列样品的正上方. SECM实验中探头的施加电位(0.7 V(vs. Ag/AgCl参比电极))通过扫描氧气在水溶液中的线扫伏安曲线得到(扫速: 20 mV s1). SECM扫描时起点处探头-PEGDMA水凝胶表面的距离通过记录探头到水凝胶表面的渐进曲线(探头施加电位: 0.7 V(vs. Ag/AgCl参比电极), 渐进速度: 2 m s1)得到. PEGDMA水凝胶微孔阵列的SECM图像扫描应用恒高度模式(探头-PEGDMA水凝胶表面距离~10 m, 探头电位0.7 V(vs. Ag/AgCl参比电极)). 所有SECM实验均在室温下进行。