以纳米电纺丝为模板对聚合物表面进行修饰的方法及应用

摘要

一种以纳米电纺丝为模板对聚合物表面进行修饰的方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下，将纺丝的乙醇溶液进行电纺丝操作；将上述的纺丝表面作为模板，浇灌上聚合物溶液，然后进行固化；将固化后的聚合物浸入到水中除去电纺丝，最终完成聚合物的表面修饰；表面修饰后的聚合物可以用于制作研究细胞-底面相互作用的微流控芯片，该方法无需昂贵的刻蚀设备，可实现一次性大面积修饰，具有操作简单、快速，实验成本低廉，不涉及有机试剂，环境友好，可与其它技术集成化的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及聚合物表面的纳米修饰及其应用，特别提供了一种以纳米电纺丝为模板对聚合物表面进行修饰的方法及应用。

背景技术

细胞与表面相互作用是生物细胞学领域一个重要的研究范畴，它为组织工程及再生医学的发展提供了一个有效的研究平台。现在研究中涉及到的细胞与表面相互作用包括三种因素：1、表面修饰的生化因子对于细胞的作用；2、表面的形态变化对用细胞的作用；3、表面的弹性与硬度对于细胞的作用。其中，表面形态学对于细胞的多种行为都有重要的影响，这种影响被称为接触导向。

近年来表面形态学对于细胞行为的影响越来越被人所关注，现在报道的表面形态所诱导的细胞行为包括细胞的增殖、活力、迁移、取向、甚至于干细胞的分化。而其应用领域也涉及骨组织再生、神经修复、体外器官重建等诸多方面。随着生物医学领域的需求，表面形态学的修饰技术也在飞速发展，主要的方法有：纳米激光刻蚀，紫外曝光刻蚀、电子束刻蚀，原位合成法，纳米电纺丝技术等（1、Yang, Y; Leong, KW，WILEY INTERDISCIPLINARY REVIEWS-NANOMEDICINE AND NANOBIO- TECHNOLOGY，卷: 2，期: 5 ，478-495，2010；2、 Kim Deok-Ho，Lee Hyojin，Lee Young，Kwang, et al，Adv Mate，卷: 22， 期: 41，4551-66，2010）。

尽管上述方法现在已经发展的较为成熟，但仍有很多因素限制了其更加广泛的应用：纳米激光刻蚀，紫外曝光刻蚀、电子束刻蚀等技术修饰的精度高，但其需要专业化的昂贵仪器并且操作复杂；原位合成法虽然操作简单，但其用于原位合成的分子价格昂贵并且合成的体系有时会用到大量有机试剂；电纺丝技术简单、快速、成本低廉，但其只能产生纺丝的表面并且该表面易于破碎、褶皱、后期集成困难。

综上所述，发明一种简单、快速、易于操作、环境友好、易于集成，可控性强、并且价格低廉的表面修饰技术是具有十分重要意义的。

发明内容                                       

本发明的目的在于提供一种以纳米电纺丝为模板对聚合物表面进行修饰的方法及应用，以解决以往修饰技术中存在的操作复杂、价格昂贵等问题。

本发明提供了一种以纳米电纺丝为模板对聚合物表面进行修饰的方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下，

——将纺丝的乙醇溶液进行电纺丝操作；

——将上述的纺丝表面作为模板，浇灌上聚合物溶液，然后进行固化，此时，纺丝会嵌入聚合物表面，若聚合物溶液为PDMS溶液，优选的单体与引发剂配比为10：1，且固化温度为80℃；

——将固化后的聚合物浸入到水中除去电纺丝，最终完成聚合物的表面修饰，修饰后的聚合物表面具有微纳米级别的凹槽结构。

其中，所述的电纺丝材料为水的可溶性材料或可溶的聚合物-溶液体系，可溶性材料优选为聚乙烯吡咯烷酮（PVP），其它的聚合物-溶液体系包括为羟甲基纤维素-水体系、PLGA-三氟乙醇体系或壳聚糖-水体系等；所述的聚合物为PDMS或可以用于软刻蚀的聚合物。

本发明提供的以纳米电纺丝为模板对聚合物表面进行修饰的方法中所修饰的聚合物表面最终具有凹入的微槽结构，该微槽的宽度和结构分别通过电纺丝的直径和电纺丝的不同排列进行控制，然而，电纺丝的直径宽度是由纺丝乙醇溶液的浓度及喷丝电压来调控的，电纺丝的直径宽度随纺丝乙醇溶液浓度的增加及电压的降低而增加；同时，根据电纺丝的喷射方法及采集方式实现表面微结构的图形控制。

使用本发明提供的方法进行表面修饰后的聚合物保留原来的所有性质，所以其可以通过等离子体处理等手段用于微流控芯片的制作与集成，以该方法进行表面修饰后的聚合物可以用于制作研究细胞-底面相互作用的微流控芯片，例如：以修饰的PDMS表面制作微流控芯片用于细胞迁移研究的方法：将修饰有平行微槽结构的PDMS表面作为芯片底层，以具有十字通道结构的PDMS为芯片上层，研究细胞与微结构在平行及垂直两个方向上的迁移情况；以修饰的PDMS表面制作微流控芯片用于细胞在复杂环境中取向研究的方法：将修饰有平行微槽结构的PDMS表面作为芯片底层，以具有十条不同方向且宽度渐变的通道的PDMS为芯片上层，对细胞在生长空间及生长底面双重作用下的取向情况进行研究。

将使用本发明提供的修饰方法对聚合物修饰表面进行等离子体处理后，立刻用水或乙醇浸泡过夜，可以保持其亲水性。

本发明提供的以纳米电纺丝为模板对聚合物表面进行修饰的方法，利用可溶的电纺丝来对聚合物表面，如PDMS，进行纳米修饰并且与微流控芯片相结合用于细胞与表面相互作用的研究。同时，本方法还为不具备专业刻蚀设备及技术的实验室提供了一种具有应用潜力的表面修饰平台。

本发明提供的以纳米电纺丝为模板对聚合物表面进行修饰的方法，其优点在于：

1、无需昂贵的刻蚀设备；

2、可实现一次性大面积修饰；

3、操作简单、快速；

4、实验成本低廉；

5、不涉及有机试剂，环境友好；

6、可与其它技术集成化。

附图说明

图1为以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）电纺丝为模板对PDMS表面进行纳米修饰的流程图；

图2为 PVP平行电纺丝、纺丝嵌入PDMS表面及纺丝溶解后PDMS表面的明场照片及电镜照片；

图3为细胞生长在不同浓度PVP电纺丝修饰的PDMS表面，及细胞的活力和增殖情况；

图4为用于研究细胞在修饰PDMS表面迁移情况的芯片设计及原理示意图；

图5为细胞在通道与底面微结构平行、垂直、及未修饰底面的迁移情况；

图6为用于研究在空间及底面双重作用下细胞取向的芯片设计，以及细胞在芯片内取向的荧光照片。

具体实施方式

下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。

实施例1

将PVP乙醇溶液进行电纺丝操作，之后将该纺丝表面作为模板， 浇灌上PDMS（10：1），80°C下使PDMS固化。此时，PVP电纺丝会镶嵌如PDMS表面，再将其浸入到水中除去PVP电纺丝，从而完成了对PDMS的表面纳米修饰，修饰后的表面具有微纳级别的凹槽结构。

实施例2

基于PVP纳米电纺丝对PDMS表面修饰情况的验证。如图2A所示，利用带有缺口的平行接收器，可以获得平行的PVP纳米电纺丝，同理，利用其它方法可以得到不同排列的电纺丝，例如：扇形、网格状、无序状等，这证明了通过控制电纺丝可以间接对表面修饰的微结构图形进行控制。另外，该图还表面不同浓度的PVP溶液形成纺丝的直径不同，浓度与纺丝直径成正比，且本方法可用的最低PVP溶液浓度为8%。这证明了通过控制电纺丝可以间接对表面修饰的微结构的宽度进行控制，其中16%的PVP溶液得到纺丝的直径在600-800纳米，证明其为纳米纺丝。图2B显示了纳米电纺丝嵌入到PDMS表面的情况，该纺丝嵌入后排列保持基本完整，无明显褶皱、断裂等情况。图2C显示了嵌有PVP纺丝的PDMS 浸入水中48小时后，最终修饰情况，该图表明PVP电纺丝可以通过浸泡完全除去，在形成PDMS表面形成印记明显的修饰结构。

实施例3

基于PVP纳米电纺丝修饰PDMS表面用于细胞培养的验证。图3A显示了间质细胞在不同浓度PVP电纺丝修饰的PDMS表面的生长及活力情况，在培养的五天时间内，细胞生长正常。并且图3B显示细胞在修饰表面与对照的未修饰表面增殖率无明显差异，这说明了本方法修饰的PDMS表面无毒性，并且保持了PDMS本身优秀的生物相容性。

实施例4

    基于PVP纳米电纺丝修饰PDMS表面用于制作细胞迁移的微流控芯片。该芯片有上下两层PDMS组成，下层为本方法修饰的带有平行微结构的PDMS表面，微结构宽度为1000纳米；上层为带有十字迁移微通道的PDMS块，其中每个迁移通道都是由7条并列小通道组成，小通道宽80微米、高5微米，间隔20微米，两层PDMS通过等离子体处理后进行封接，如图4A所示。封接后的芯片以PDMS浸泡并紫外杀菌过夜，便可接种细胞。图4B显示了迁移通道的原理，由于每条小通道的高为5微米，这可以阻止刚刚接种的悬浮细胞（直径10微米）进入其中，而细胞贴壁后，高度下降为2-3微米，  可以爬进迁移通道中，从而为细胞迁移确定了统一的起始点，便于观察、统计。  在图5显示，当底面微结构与通道内细胞迁移方向同向时，迁移通道内的细胞个数最多；而底面微结构与通道垂直时，迁移到通道内的细胞数相对最少。这证明了本方法利用PVP平行丝修饰的PDMS表面对细胞的迁移行为有影响。

实施例5

基于PVP纳米电纺丝修饰PDMS表面用于制作细胞取向研究的微流控芯片。该芯片有上下两层PDMS组成，下层为本方法修饰的带有平行微结构的PDMS表面，微结构宽度为1000纳米；上层为带有十条对称放射状微通道的PDMS块，其中每条通道包括80um、120um、180um、270um、405um细胞在生长空间及生长底面等双重作用下取向情况的五个宽度。两层PDMS通过等离子体处理后进行封接，当上层芯片的对称细胞在生长空间及生长底面等双重作用下取向情况的轴与底面微结构平行时（0°夹角），其余八条通道会与底面结构呈30°、60°、90°、135°（45°）夹角。由此，本芯片可以用于研究细胞在生长空间及生长底面等双重作用下的取向情况，如图6A所示。研究结果表明，在较宽的通道中本方法修饰的底面对细胞取向起主导作用；而在较细的通道中，细胞取向受通道的限制作用更大，相应的阀值为180um。