CN100463713C - 用于细胞培养的多层中空纳米纤维及制备方法 - Google Patents

Abstract

用做细胞培养载体材料的多层中空纤维是关于一种利用电纺纤维为模板，结合层层组装技术制备多层中空纤维的方法，这种多层中空纤维可以用于细胞培养的载体材料，缓释领域以及分析上，该多层中空纤维由水溶性的聚合物组成，聚合物的浓度为0.1mg/ml-1.0mg/ml。用做细胞培养载体材料的多层中空纤维的壁厚度由组装层数决定。制备方法是电纺纤维为模板，将带有正反电荷的聚合物交替吸附在纤维表面，然后用有机溶剂除去内部的模板纤维而不损害外部的聚合物，从而获得多层中空纤维，与传统的中空纤维相比，它的壁厚度可以由组装的聚合物层数来控制，壁组成也可以自如选择材料，可以灵活选材，构造出具有不同性能的多层中空纤维。

Description

用于细胞培养的多层中空纳米纤维及制备方法

技术领域

本发明是关于一种可用于细胞培养的多层中空纳米纤维的制备方法，这种中空多层纳米纤维可以用做细胞培养的支持材料，属于细胞培养载体材料的技术领域。

背景技术

中空纳米纤维生物反应器既可用于悬浮细胞的培养，又可用于贴壁细胞的培养。其原理是：模拟细胞在体内生长的三维状态，利用反应器内数千根中空纤维的纵向布置，提供细胞近似生理条件的体外生长微环境，使细胞不断生长。中空纳米纤维是一种细微的管状结构，管壁为极薄的半透膜，富含毛细管，培养时纤维管内灌流充以氧气的无血清培养液，管外壁则供细胞黏附生长，营养物质通过半透膜从管内渗透出来供细胞生长；对于血清等大分子营养物，则必须从管外灌入，否则会被半透膜阻隔不能被细胞利用；细胞的代谢废物也可通过半透膜渗入管内，避免了过量代谢物对细胞的毒害作用。

此外，中空纳米纤维还在药物释放，组织支架，催化，纺织等很多方面有广阔的应用前景。鉴于中空纤维的广泛用途，科学家一直还在寻找制备中空纤维的各种方法。在目前制备中空纳米纤维的方法中，主要有自组装方法(self-assembly)和模板法(the use of templates)。其中采用自组装方法制备中空纤维的报道多见于通过用表面修饰有表面活性剂或者溶液中分散有表面活性剂的碳或者氮化硼和多肽的自组装来获得。也就是说，只有某些特定的材料才可以通过自组装的方法来制备中空纤维。而在模板法制备中空纤维的方法中，一种是在模板纤维表面的纳米级孔阵列中通过控制聚合反应的时间，来获得具有特定壁厚或者复制出纳米级孔阵列然后除去作为模板的纤维，从而获得有特定壁厚或者有特定表面结构的中空纤维。另外一种方法是：用电纺纤维作为模板，先通过目前已经很成熟的沉积条件：化学或者物理的蒸汽沉积(Chemical or physical vapor deposition)，旋转涂抹(spincoating)或者喷雾涂抹(spraying)在模板纤维表面覆盖一层薄膜。然后通过溶剂或者煅烧的方法选择性的除去模板从而获得中空的纤维。此外，在探索制备中空纳米纤维的方法中，还要值得一提的是近年来美国和西班牙的科学家发明的一步法制备中空纳米纤维。其方法可以简要概述为：把两种不混溶的液体通过两个同轴毛细管混纺成纤维后选择性的除去模板获得中空纤维。但是，到目前为止，还没有报导制备多层中空纳米纤维的方法。

层层吸附技术(Layer-by-Layer self assembly)是近年来发展起来的制备有序薄膜的方法。它利用有机或无机阴阳离子的静电吸附特性，通过反离子体系的交替分子沉积形成薄膜。1991年D.Decher等人用层层吸附技术对构造有序薄膜进行了开创性研究。他们用两亲性有机阴阳离子(或者聚电解质)在离子化基片表面交替吸附制备多层膜。到目前为止，很多种材料比如碳纳米管，蛋白质，核酸，磷脂和有机/无机颗粒都被成功的用来构造具有特定组成，厚度和性质的多层有序膜。1998年，这项技术被用于球面的胶体颗粒。这种从二维到三维的技术转变，可以制备出有特定尺寸，组成和性质的空心多层聚合物微胶囊。

发明内容

技术问题：本发明旨在提供一种用于细胞培养的多层中空纳米纤维及制备方法，该制备方法简单有效、制备装置简单、稳定性好、储存运输容易、应用范围广、无毒无害产率高。

技术方案：在本发明中，我们提出结合层层组装技术和电纺纤维为模板来制备一类全新的材料--中空多层纳米纤维。

在我们以前的工作中，曾经用原子力显微镜(AFM)系统研究了磷脂修饰的聚电解质微胶囊的表面结构，发现微胶囊的表面孔大小与磷脂的修饰程度有关。同时根据其他组的研究结果表面，微胶囊的表面结构与微胶囊的组成有关。在本发明中，我们拟结合层层组装技术和用电纺法得到的纤维作为模板来制备具有特定组成，厚度，尺寸和表面结构的多层中空纤维。象这样的中空多层纤维在催化，微流体，纯化，分离，气体储存，能量转化，药物释放，传感器，环境保护，组织工程等等很多领域有潜在的应用前景。

本发明用于细胞培养的多层中空纳米纤维由水溶性的聚电解质组成，聚电解质的浓度为0.1mg/ml-1.0mg/ml，相反电荷的聚电解质的质量比为1-10:10，中空纤维的壁厚与组装层数成正比。所述的中空纤维的壁材料为多层高分子，水溶性的聚电解质是天然的或者人工合成的高分子聚电解质，多糖，蛋白质，核酸。

本发明的用于细胞培养的多层中空纳米纤维的制备方法是将水溶性的聚电解质逐层组装到电纺纤维表面，然后将其分散在有机溶剂中选择性的除去模板，其具体步骤如下：

1)用水溶性的聚电解质，配置带有不同电荷的聚电解质水溶液，

2)用层层组装方法将不同带电荷的水溶性的聚电解质组装到纤维表面，

3)选用有机溶剂，选择性的除去内部模板而不损伤外部材料，获得多层中空纤维。

层层组装方法为基于正负电荷静电作用的自组装方法。所述的有机溶剂是四氢呋喃，甲苯。

在操作步骤类似的情况下，构造由聚氨基烯丙基盐酸盐和无机纳米粒子二氧化钛组成的中空纳米纤维，以及聚氨基烯丙基盐酸盐和牛血清蛋白组成的中空纳米纤维等。

在本发明中我们提出利用电纺纤维作为模板，用层层组装方法在其表面组装多层聚合物或者聚合物/无机纳米粒子，然后选择性的除去模板而不损伤外部的壁材料，获得多层中空纳米纤维，该纤维可用作细胞培养的载体材料。

有益效果：根据本发明利用电纺纤维作为模板来制备多层中空纳米纤维，具有以下优点：

1.方法简单有效：可用电纺方法获得的纤维材料现在已有上百种，其中决大多数表面都带有电荷。都可以用做模板材料。同时水溶性的聚电解质，蛋白质，核酸，多糖也有成千上万种，通过他们的组合可以制备出具有各种性能和表面结构的中空多层纤维。此中空多层纤维非常稳定，在生物学领域和药物释放领域将有广泛的应用，可以供科研工作者作非常深入系统的研究。

2.采用选择性的除去模板就可以获得中空多层纤维，相对于传统电纺纳米纤维，具有厚度可以自如控制，成分自由选择的优点。

3.制备装置简单，本发明不需要什么特殊的设备，普通的培养皿就可以满足要求。

4.稳定性好：获得的中空多层纤维稳定性好，耐强酸强碱，耐光耐热，耐磁耐电。性质非常稳定。

5.储存运输容易：只要将获得的中空多层纤维分散在水溶液中就可以备用。也可以经过长途运输而不需要特别的保护。

6.应用范围广：获得的中空多层纤维在生物学和仿生体系以及药物释放领域都将有非常广泛的用途。

7.无毒无害：选用的材料都是生物兼容或者可降解的，所以对人体和环境都非常安全，是非常好的生态环境材料。

8.产率高：可以获得高产率的中空多层纤维。

附图说明

图1是制备多层中空纤维的示意图。

图2是获得的多层(PAH/PSS)₄中空纤维的示意图。

以上的图中有：电

纤维垫1、单根纤维2、多层聚电解质修饰的纤维3、多层中空纤维4。

具体实施方式

本发明用做细胞培养载体的多层中空纳米纤维，由带相反电荷的水溶性的聚电解质组成。制备方法是将带相反电荷的聚电解质逐层组装到电纺纤维表面，然后选择性的除去内部模板纤维而不损伤外部作为壁材料的聚合物。带相反电荷的水溶性的聚电解质的浓度为0.1mg/ml-1.0mg/ml，带相反电荷的水溶性的聚电解质的质量比为1～10:10，模板纤维是电纺得到的纤维。用做细胞培养载体的多层中空纳米纤维的厚度由组装层数决定。所述的细胞培养载体材料为多层中空纳米纤维，水溶性的聚电解质是天然的或者合成的聚电解质，如聚苯乙烯磺酸钠(poly(styrenesulfonate，sodium salt)(PSS，聚阴离子)，聚氨基烯丙基盐酸盐(poly(allylamine hydrochloride)(PAH，聚阳离子)，也可以是蛋白质，核酸，多糖等生物兼容的高分子材料。模板纤维为电纺获得的单一组分或者复合组分的纳米纤维，如聚苯乙烯(PS)纤维等。

该制备方法是将水溶性的聚电解质：聚苯乙烯磺酸钠和聚氨基烯丙基盐酸盐溶解在水中，然后将其逐层组装到纳米电纺纤维表面，其具体步骤如下：

1)用水做溶剂分别配置带正或者负电荷的聚电解质溶液；

2)将电纺聚苯乙烯(PS)纤维先浸入到与其带相反电荷的聚电解质聚氨基烯丙基盐酸盐溶液中，蒸馏水冲洗多次；然后再浸入到聚苯乙烯磺酸钠溶液，反复多次在纤维表面组装多层聚电解质。

3)用有机溶剂四氢呋喃选择性的除去内部作为模板的聚苯乙烯纤维，同时该溶剂不损害外部的聚电解质，从而获得多层中空纤维。

上述的有机溶剂也可以是甲苯。

实施例1：制备尺寸在400nm左右的(聚氨基烯丙基盐酸盐(poly(allylaminehydrochloride)(PAH，聚阳离子)/聚苯乙烯磺酸钠(poly(styrenesulfonate，sodiumsalt)(PSS，聚阴离子))₄多层中空纤维：

水溶液的制备：将聚氨基烯丙基盐酸盐和聚苯乙烯磺酸钠分别溶解在含0.5M的氯化钠水溶液中，配置成聚电解质水溶液，浓度为1.0mg/ml。

模板制备：用电纺喷丝装置制备出聚苯乙烯纳米纤维，尺寸分布在800-1300nm。

将带负电荷的聚苯乙烯纤维浸入到聚阳离子聚氨基烯丙基盐酸盐溶液中，使纤维表面吸附一层聚氨基烯丙基盐酸盐，从而表面带正电荷，洗去多余的聚合物。然后再将此纤维浸入到聚苯乙烯磺酸钠溶液中，将带负电荷的聚苯乙烯磺酸钠组装到纤维表面，使纤维表面电荷由正转负，洗去多余的聚合物。交替四次，用四氢呋喃除去聚苯乙烯，获得多层的(PAH/PSS)₄中空纤维。

实施例2：用PS纤维为模板，聚氨基烯丙基盐酸盐溶液浓度为0.5mg/ml，牛血清蛋白水溶液浓度为1.0mg/ml，操作步骤同上面所述，可获得尺寸在400纳米左右的多层聚氨基烯丙基盐酸盐/牛血清蛋白中空纳米纤维。

实施例3：用PS纤维为模板，聚苯乙烯磺酸钠溶液浓度为0.1mg/ml，免疫球蛋白IgG水溶液(1.0mg/ml)，操作步骤类似上面所述，可获得尺寸在400nm左右的多层聚苯乙烯磺酸钠/免疫球蛋白IgG复合中空纤维。

多层中空纤维的应用：此多层中空纤维可以大量应用在细胞培养上，作为作为细胞培养的载体材料。也可以应用在分析，药物缓释领域。

Claims (3)

1.一种用于细胞培养的多层中空纳米纤维的制备方法，其特征在于该纤维由水溶性的聚电解质组成，所用的聚电解质的浓度为0.1mg/ml-1.0mg/ml，正负电荷的聚电解质的质量比为1:10～10:10，中空纳米纤维的壁厚与组装层数成正比；所述的中空纳米纤维的壁材料为多层高分子聚电解质，水溶性的聚电解质是天然的或者人工合成的高分子聚电解质；其制备方法具体步骤如下：

1)用水溶性的聚电解质，配置带有不同电荷的聚电解质水溶液，

2)用层层组装方法将不同带电荷的水溶性的聚电解质组装到多层中空纤维表面，

3)选用有机溶剂，选择性的除去电纺纤维而不损伤聚电解质，获得多层中空纤维。

2.根据权利要求1所述的用于细胞培养的多层中空纳米纤维的制备方法，其特征在于层层组装方法为基于正负电荷静电作用的自组装方法。

3.根据权利要求1所述的用于细胞培养的多层中空纳米纤维的制备方法，其特征在于所述的有机溶剂是四氢呋喃、或甲苯。

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