CN103205006A - 一种表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
随着组织工程的不断发展，表面图案化技术越来越受到人们的关注，并得到了广泛的应用。微图案化技术己经用于精确控制细胞的位置和形态以及多种细胞的共同培养，但直接在生物相容性良好的水凝胶表面构建微图案比较困难。本发明以海藻酸钠为高分子骨架，以丙烯酰胺及其衍生物为聚合单体，以二乙烯基苯、N，N′-亚甲基双丙烯酰胺或二甲基丙烯酸乙二醇酯为化学交联剂，以金属盐水溶液为离子交联剂，加入无机纳米粒子作为增强剂，在具有图案化的硅片基体上制备高弹性和高韧性的图案化水凝胶膜。该制备方法具有可控性好、工艺简单、成本低、材料生物相容性好等优点，该图案化水凝胶膜有望在干细胞培养、组织再生等领域获得应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜及其制备方法，属于功能材料和生物材料领域。
背景技术
近年来随着组织工程和再生医学的发展，有关材料表面改性和细胞粘附等方面的问题引起人们越来越多的关注。人体组织可被视为是细胞与细胞外基质的复合体，如果能够利用仿细胞外基质的新型生物材料构筑一定的类生命环境，并在其表面或内部培植细胞，这样我们就可以在体外利用仿生手段来研究机体内部重要的生命活动。要在体外构造细胞与生物材料的复合体，就必须了解细胞与生物材料相互作用方面的诸多基本科学问题，其中最关键的问题之一就是细胞在生物材料表面的粘附机制。在研究细胞粘附机制方面，生物材料表面的图案化处理使原本复杂的问题简单化，并为更深入地研究细胞粘附、迁移等活动机制提供了契机【孙建国，PEG水凝胶的金微图案化修饰及其表面细胞黏附行为的研究[D].复旦大学，2009】。此外，传统的细胞研究方式，比如在培养板上研究细胞，难以克服细胞迁移等问题，新发展起来的微图案技术则可以实现细胞定位，有助于研究细胞间接触等影响细胞生命活动的相关问题【唐键，微图案化表面的制备以及细胞间接触影响干细胞分化的研究[D].复旦大学，2010.】。因此，随着组织工程的不断发展，表面图案化技术越来越受到人们的关注，得到了广泛的应用。微图案化技术己经用于精确控制细胞的位置和形态(尤其是单细胞)以及多种细胞的共同培养，它己经搭建了一个在细胞水平上研究细胞-材料相互作用的平台。
高分子凝胶以良好的生物相容性引起了广泛的关注。高分子凝胶是由高分子三维网络与溶剂组成的多元体系，对环境刺激如温度、pH、电场、溶剂性质、光强度和光波长、压力、离子强度、离子密度和特殊的化学刺激(如糖)等，在宏观(体积)形状上产生巨大变化的聚合物网络。水凝胶的结构与体内的大分子基组分相近，是理想的细胞培养载体。但是大多数人造普通水凝胶的机械强度很差，容易变形，并且随着含水量的不同发生溶胀和消溶胀。例如一种明胶当吸水量是干凝胶重量的5倍时，其断裂拉伸强度大约是70KPa，断裂伸长率为10％。当吸水至40倍时，其断裂拉伸强度只有6KPa其断裂伸长率为11％。传统上提高水凝胶强度的方法主要集中在改善水凝胶的交联密度上，但是仅仅通过提高交联密度并不能从根本上提高水凝胶的强度，并且还会大大降低水凝胶的柔韧性，使水凝胶变得很脆。
制备图案化修饰的生物材料有很多方法，最常用的有光刻技术以及基于此的软刻技术。单纯的光刻技术成本高且用途有限，而软刻技术虽然大大地拓展了光刻技术的应用领域，但如果简单地套用到则面临着图案在水中的稳定性问题。现有的图案化技术大都针对硬基质或者硅橡胶等少数疏水性聚合物，而在性质接近人体大部分组织的软湿水凝胶表面构筑合适的微图案则存在技术困难，因为水凝胶韧性差，容易变形【刘鹏，材料表面微米-纳米杂合图案的制备技术研究[D].复旦大学，2009】。孙建国等使用了一种转移技术，巧妙地在PEG水凝胶聚合过程中实现了其表面的Au图案化修饰。【孙建国，唐键，丁建东，基于表面微图案化技术研究细胞取向[J].科学通报，2009，5410：1344-1349.】。朱道本等[18]将异丙基丙烯酰胺修饰到具有不同纳米尺度凹槽的硅基底表面，研究了改性表面的温度响应性【Reversible Switchingbetween Superhydrophilicity and Superhydrophobicity.Surface Chemistry，2004，43：357-360】。但是上述方法步骤比较复杂，造价也高。因此，简单实用的水凝胶表面微图案化制备方法的建立具有重要意义。
美国哈佛大学的研究人员开发出了高弹性和高韧性的水凝胶，其成分是海藻酸盐和聚丙烯酰胺【Highly stretchable and tough hydrogels，Nature，2012，489(7414)：133-136】。这两种物质单独形成的水凝胶弹性和韧性都不大，但如果把它们按一定比例混合起来在水中聚合，会得到一种新型水凝胶。虽然新型水凝胶中约90％是水，但其弹性超强，可以拉伸到原有长度的20倍以上而不断，之后还能够自行恢复原状。它的韧性也很好，把一块这样的水凝胶掰断，需要耗费的能量与掰断一块天然橡胶差不多。这样弹性和韧性的水凝胶达到了替代软骨等组织的要求，能够用来制造相关医疗设备，比如可以用它来制造人造椎间盘。目前还没有在这类水凝胶表面构建微图案的报道。
本发明以海藻酸钠为高分子骨架，以丙烯酰胺及其衍生物为聚合单体，加入化学交联剂，以金属盐水溶液为离子交联剂，加入无机纳米粒子作为增强剂，在具有图案化的硅片基体上制备高弹性和高韧性的图案化水凝胶膜。该制备方法具有可控性好、工艺简单、成本低、材料生物相容性好等优点，该图案化水凝胶膜有望在干细胞培养、组织再生等领域获得应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决水凝胶难以表面图案化、水凝胶强度和韧性低、水凝胶膜厚度难以控制均匀等问题。
本发明解决上述水凝胶难以表面图案化、水凝胶强度和韧性低、水凝胶膜厚度难以控制均匀等问题的技术方案是设计一种表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜。
本发明提供了一种表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜及其制备方法，其特征是包括以下步骤：
a)先后分别用稀盐酸、无水乙醇和去离子水清洗具有图案化的硅片，然后60-80℃真空干燥8-24h，得到干燥后的图案化硅片；
b)称取5-15g聚合单体，0.5-2g海藻酸钠，聚合单体质量百分比0.03％-0.15％的交联剂，一起溶于50-100ml去离子水中，搅拌溶解均匀，然后加入聚合单体质量百分比1％-200％的增强剂，超声分散均匀后再加入聚合单体质量百分比0.1％-5％的过硫酸铵，聚合单体质量百分比0.1％-5％的亚硫酸氢钠和聚合单体质量百分比0.01％-2％的四甲基乙二胺，搅拌分散均匀后，立即将该溶液倒入步骤a)处理过的图案化硅片上，用厚度为20-3000μm的刮膜棒刮平，形成均匀厚度的膜，真空脱泡，在N2保护下聚合8-24h，得到化学交联的表面图案化凝胶膜；
c)将步骤b)得到的化学交联的凝胶用0.01％-10％的金属盐水溶液浸泡0.5-24h，用去离子水洗去表面的盐溶液，得到表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜。
本发明所述的聚合单体为双丙酮丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、二甲基丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸中的任意一种或两种以上混合物，所述的金属盐水溶液为硫酸铜、氯化锌、氯化钡、氯化铁、氯化铝、氯化钙、磷酸二氢钙、硫酸钙、硝酸钙、葡萄糖酸钙、磷酸氢钙、乳酸钙水溶液中的任意一种或两种以上混合物。
本发明所述的交联剂为二乙烯基苯、二异氰酸酯、N，N′-亚甲基双丙烯酰胺、二甲基丙烯酸乙二醇酯、羟甲基三聚氰胺醚化物中的任意一种或两种以上混合物。
本发明所述的图案化硅片为波浪线、窄直条纹、宽直条纹、圆柱形状和方格图案中的任意一种或两种以上图案组合。
本发明所述的增强剂为纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米羟基磷灰石、纳米粘土、碳纳米管、石墨烯、纳米碳酸钙、纳米氧化锌中的任意一种或两种以上混合物。
本发明所述的一种表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜的制备方法，其特征是依靠图案化硅片的印刷作用，在高强度高韧性的杂化凝胶膜表面印出图案，其制备方法和工艺简单，成本低，该表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜在组织工程、干细胞培养及再生医学等领域有良好的应用前景。
具体实施方式
下面介绍本发明的具体实施例，但本发明不受实施例的限制。
实施例1.一种表面窄直条纹图案化高强度高韧性凝胶膜及其制备方法
a)先后分别用稀盐酸、无水乙醇和去离子水清洗具有窄直条纹图案化的硅片，然后60℃真空干燥24h，得到干燥后的图案化硅片；
b)称取15g异丙基丙烯酰胺，0.5g海藻酸钠，异丙基丙烯酰胺质量百分比0.03％的二甲基丙烯酸乙二醇酯，一起溶于100ml去离子水中，搅拌溶解均匀，然后加入异丙基丙烯酰胺质量百分比1％的增强剂纳米羟基磷灰石，超声分散均匀后再加入异丙基丙烯酰胺质量百分比5％的过硫酸铵，异丙基丙烯酰胺质量百分比5％的亚硫酸氢钠和异丙基丙烯酰胺质量百分比0.01％的四甲基乙二胺，搅拌分散均匀后，立即将该溶液倒入步骤a)处理过的图案化硅片上，用厚度为20μm的刮膜棒刮平，形成均匀厚度的膜，真空脱泡，在N2保护下自由基引发聚合，反应8h，得到化学交联的表面窄直条纹图案化凝胶膜；
c)将步骤b)得到的化学交联的凝胶用0.01％的氯化钡水溶液浸泡24h，用去离子水洗去表面的盐溶液，得到表面窄直条纹图案化高强度高韧性杂化凝胶膜。
实施例2.一种表面宽直条纹图案化高强度高韧性凝胶膜及其制备方法
a)先后分别用稀盐酸、无水乙醇和去离子水清洗具有宽直条纹图案化的硅片，然后80℃真空干燥8h，得到干燥后的宽直条纹图案化硅片；
b)称取5g双丙酮丙烯酰胺，2g海藻酸钠，双丙酮丙烯酰胺质量百分比0.15％的二乙烯基苯，一起溶于50ml去离子水中，搅拌溶解均匀，然后加入双丙酮丙烯酰胺质量百分比200％的增强剂纳米二氧化硅，超声分散均匀后再加入双丙酮丙烯酰胺质量百分比5％的过硫酸铵，双丙酮丙烯酰胺质量百分比5％的亚硫酸氢钠和双丙酮丙烯酰胺质量百分比0.1％的四甲基乙二胺，搅拌分散均匀后，立即将该溶液倒入步骤a)处理过的图案化硅片上，用厚度为200μm的刮膜棒刮平，形成均匀厚度的膜，真空脱泡，在N2保护下紫外光引发聚合，反应8h，得到化学交联的表面宽直条纹图案化凝胶膜；
c)将步骤b)得到的化学交联的凝胶用10％的氯化锌水溶液浸泡0.5-24h，用去离子水洗去表面的盐溶液，得到表面宽直条纹图案化高强度高韧性杂化凝胶膜。
实施例3.一种表面圆柱形状图案化高强度高韧性凝胶膜及其制备方法
a)先后分别用稀盐酸、无水乙醇和去离子水清洗具有圆柱形状图案化的硅片，然后80℃真空干燥8h，得到干燥后的图案化硅片；
b)称取15g丙烯酰胺，0.5g海藻酸钠，丙烯酰胺质量百分比0.03％的二甲基丙烯酸乙二醇酯，一起溶于100ml去离子水中，搅拌溶解均匀，然后加入丙烯酰胺质量百分比1％的增强剂纳米二氧化钛，超声分散均匀后再加入丙烯酰胺质量百分比0.1％的过硫酸铵，丙烯酰胺质量百分比0.1％的亚硫酸氢钠和丙烯酰胺质量百分比0.01％的四甲基乙二胺，搅拌分散均匀后，立即将该溶液倒入步骤a)处理过的图案化硅片上，用厚度为20μm的刮膜棒刮平，形成均匀厚度的膜，真空脱泡，在N2保护下高能电子束引发聚合，反应24h，得到化学交联的表面圆柱形状图案化凝胶膜；
c)将步骤b)得到的化学交联的凝胶用2％的氯化钙水溶液浸泡0.5h，用去离子水洗去表面的盐溶液，得到表面圆柱形状图案化高强度高韧性杂化凝胶膜。
实施例4.一种表面方格图案化高强度高韧性凝胶膜及其制备方法
a)先后分别用稀盐酸、无水乙醇和去离子水清洗具有方格图案化的硅片，然后70℃真空干燥12h，得到干燥后的方格图案化硅片；
b)称取10g甲基丙烯酰胺，1.5g海藻酸钠，甲基丙烯酰胺质量百分比0.1％的N，N′-亚甲基双丙烯酰胺，一起溶于50ml去离子水中，搅拌溶解均匀，然后加入甲基丙烯酰胺质量百分比50％的增强剂石墨烯，超声分散均匀后再加入甲基丙烯酰胺质量百分比1％的过硫酸铵，甲基丙烯酰胺质量百分比1％的亚硫酸氢钠和甲基丙烯酰胺质量百分比0.02％的四甲基乙二胺，搅拌分散均匀后，立即将该溶液倒入步骤a)处理过的图案化硅片上，用厚度为400μm的刮膜棒刮平，形成均匀厚度的膜，真空脱泡，在N2保护下伽马射线引发聚合，反应24h，得到化学交联的表面方格图案化凝胶膜；
c)将步骤b)得到的化学交联的凝胶用5％的硫酸铜水溶液浸泡8h，用去离子水洗去表面的盐溶液，得到表面方格图案化高强度高韧性杂化凝胶膜。
Claims (10)
1.一种表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜，其特征是该杂化凝胶膜以海藻酸钠为高分子骨架，以丙烯酰胺及其衍生物为聚合单体，加入化学交联剂，以金属盐水溶液为离子交联剂，加入无机纳米粒子作为增强剂，在具有图案化的硅片基体表面引发聚合，得到的杂化凝胶膜具有高弹性和高韧性且表面具有特定图案。
2.如权利要求1所述的一种表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜的制备方法，其特征是包括以下步骤：
a)先后分别用稀盐酸、无水乙醇和去离子水清洗具有图案化的硅片，然后60-80℃真空干燥8-24h，得到干燥后的图案化硅片；
b)称取5-15g聚合单体，0.5-2g海藻酸钠，聚合单体质量百分比0.03％-0.15％的交联剂，一起溶于50-100ml去离子水中，搅拌溶解均匀，然后加入聚合单体质量百分比1％-200％的增强剂，超声分散均匀后再加入聚合单体质量百分比0.1％-5％的过硫酸铵，聚合单体质量百分比0.1％-5％的亚硫酸氢钠和聚合单体质量百分比0.01％-2％的四甲基乙二胺，搅拌分散均匀后，立即将该溶液倒入步骤a)处理过的图案化硅片上，用厚度为20-3000μm的刮膜棒刮平，形成均匀厚度的膜，真空脱泡，在N2保护下引发聚合，反应8-24h，得到化学交联的表面图案化凝胶膜；
c)将步骤b)得到的化学交联的凝胶用0.01％-10％的金属盐水溶液浸泡0.5-24h，用去离子水洗去表面的盐溶液，得到表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜。
3.如权利要求2所述的一种表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜的制备方法，其特征是所述聚合单体的为双丙酮丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、二甲基丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸中的任意一种或两种以上混合物。
4.如权利要求2所述的一种表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜的制备方法，其特征是所述的金属盐水溶液为硫酸铜、氯化锌、氯化钡、氯化铁、氯化铝、氯化钙、磷酸二氢钙、硫酸钙、硝酸钙、葡萄糖酸钙、磷酸氢钙、乳酸钙水溶液中的任意一种或两种以上混合物。
5.如权利要求2所述的一种表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜的制备方法，其特征是所述的交联剂为二乙烯基苯、二异氰酸酯、N，N′-亚甲基双丙烯酰胺、二甲基丙烯酸乙二醇酯、羟甲基三聚氰胺醚化物中的任意一种或两种以上混合物。
6.如权利要求2所述的一种表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜的制备方法，其特征是所述的图案化硅片为波浪线、窄直条纹、宽直条纹、圆柱形状和方格图案中的任意一种或两种以上图案组合。
7.如权利要求2所述的一种表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜的制备方法，其特征是所述的增强剂为纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米羟基磷灰石、纳米粘土、碳纳米管、石墨烯、纳米碳酸钙、纳米氧化锌中的任意一种或两种以上混合物。
8.如权利要求2所述的一种表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜的制备方法，其特征是所述的引发聚合方式为自由基引发、微波辐射引发、紫外光引发、高能电子束引发、伽马射线引发、等离子引发中的任意一种。
9.如权利要求2所述的一种表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜的制备方法，其特征是依靠图案化硅片的印刷作用，在高强度高韧性的杂化凝胶膜表面印出图案。
10.如权利要求2所述的一种表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜的制备方法，其特征是制备方法工艺简单，成本低，该凝胶在组织工程、干细胞培养及再生医学等领域有良好的应用前景。
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