CN103173872B - 一种简便的纳米电纺丝区域化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种简便的纳米电纺丝区域化方法，该方法采用一个端口平滑的中空管，将注射器中的液态的环氧光刻胶SU8直接写到用基体支撑的纳米电纺丝表面，恒流注射泵控制注射器的注射速度，采用两维电动平台在软件的控制下形成不同的SU8 胶图形；液态的SU8 胶在重力的作用下浸润到纳米电纺丝后，采用紫外光照射，将电纺丝固定在基体上，同时形成相互间不透水的区域；本发明方法产生的纳米电纺丝区域可以为组织工程、再生医学工程等提供一个极具潜力的应用平台，并且操作简单、可控性强，并易于跟微流控等新技术结合。

Description

一种简便的纳米电纺丝区域化方法

技术领域

本发明属于微流控芯片技术、纳米电纺丝技术、高分子材料科学、及其细胞学应用等领域，具体涉及一种简便的纳米电纺丝区域化方法。

背景技术

纳米电纺丝技术为组织工程及再生医学的发展提供了一个极具潜力的研究平台。由于纳米电纺丝具有很高的比表面积，多孔结构以及各种制备材料的表面化学性质等已经在生物学领域展现出广泛的应用前景。其应用领域主要包括以下几个方面：1、电纺丝作为细胞的三维培养的基质，来对细胞三维环境中的行为进行研究；2、电纺丝作为药物或基因载体，进行细胞药物筛选或外源基于转染研究；3、电纺丝作为一种体内支架，促进受损组织的修复；4、利用电纺丝在体外重建组织器官。

近年来，随着电纺丝技术的发展，很多研究者已经制备了具有跟细胞外基质具有相同化学组成和结构性质的纳米纺丝材料，用于研究和模拟实时生理条件下的细胞和细胞外基质的相互作用。同时很多工作集中采用电场力或者磁力的方式制备平行的或者具有一定结构的电纺丝。然而这些技术制备的电纺丝膜，不能区域化，对不利于提高研究的通量。

最近，传统的光刻技术被用来进行纳米电纺丝的区域化，实现了在同一片电纺丝区域化，可以用来进行不同实验条件的筛选。但是这种方式通常需要复杂的制备过程，耗时耗力。尤其由于纳米纺丝的多空结构，沉积在内部的化学试剂必将影响纺丝的性质，而且电纺丝的易碎性，也影响这种方式的应用范围。

综上所述，本发明提供了一种用途广泛、操作灵活、简便的纳米电纺丝区域化方法的方法，具有十分重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种简便的纳米电纺丝区域化方法，该方法解决了电纺丝不能区域化，分析通量低等问题。

本发明提供了一种简便的纳米电纺丝区域化方法，该方法的具体步骤如下：

——采用干净的基体材料（包括玻璃，PDMS，高分子聚合物等），置于接通高压电源地线的铝块之上，折射器针头尖端磨平并接通高压电源的正极；采用注射泵推动注射器，使注射器中的高分子材料溶液或者高分子材料溶液与无机物的混合物，按0.4~2mL/h流速输出到折射器针头，在高压电场的作用下在玻璃表面形成纳米电纺丝；

——将一个具有平滑端口的中空管一端通过软管接到注射器上，注射器中带有液态的SU8胶，并置于注射泵上；另一端固定在可上下移动的Z轴平移台上；

——将带用纳米电纺丝的基体放于XY两维电动平移台上，固定好；

——调节Z轴平移台高度，使中空管的尖端距离电纺丝的距离小于100微米；

——通过电脑程序控制带有SU8胶注射器的注射泵的流速，使注射器内的SU8按0.4mL~4mL/h的流速从中空金属管的内部挤出；

——通过电脑程序控制XY两维电动平移台，使其按设定的图形进行运动，从而SU8胶便在纳米电纺丝上形成图案化；

——待SU8渗入到纳米电纺丝空隙，到达基体后采用UV灯照射，使SU8固化。

本发明提供的简单的纳米电纺丝区域化方法，所述的纳米电纺丝材料范围广泛，包括高分子材料溶液或高分子材料溶液与无机物的混合物；所述高分子材料为PS、PLGA、PLLA、壳聚糖、蚕丝蛋白、明胶中的一种或多种。

本发明提供的简便的纳米电纺丝区域化方法，设定的图形可以在电脑程序内任意设计，包括圆形，方形，椭圆，三角，直线，曲线等各种形状及这些形状的组合体。

本发明提供的简便的纳米电纺丝区域化方法，采用的SU8 胶为一种环氧型光刻胶，其常温下为液态，同时具有较高的粘度，易于提高图形的分表率。固化后易于跟基体结合将电纺丝固定于基体之上，同时具有疏水性，易于电纺丝的区域化。

本发明提供的简便的纳米电纺丝区域化方法， 该方法可以很容易的将电纺丝与微流控等新技术进行集成。例如，通过在基体上加工微小的过孔，同时在基体的背面集成微流通道，过孔实现微流通道内液体和区域化电纺丝间溶液的联通。

本发明提供的纳米电纺丝的区域化方法，采用SU8光刻胶隔离，具有良好的防水性，因此不同区域的电纺丝相互之间具有很好的隔离性，可以采用不同浓度的溶液进行分别修饰，可以采用不同浓度的药物或者不同浓度的生物因子溶液进行修饰。

本发明提供的纳米电纺丝的区域化方法，可以实现不同种类的细胞在相同纺丝条件，不同浓度条件的培养，实现细胞多参数的培养条件的筛查，降低筛查成本。

本发明提供的纳米电纺丝的区域化方法，其优点在于：

1、可以对多种纳米电纺丝进行区域化，不受纺丝材料性质的影响；

2、区域化的电纺丝性质不受影响，没有溶剂等污染；

3、可以对区域化电纺丝分别进行化学性质上改性；

4、生成区域化区域形状、尺寸、面积可控；

5、操作简单、快速、灵活且自动化程度高；

6、可以通过与微流控等新技术集成化，提高分析效率。

附图说明

图1电纺丝区域化流程图；其中：I 静电纺丝；II 直写（Direct Writing）SU8胶；III；SU8胶紫外聚合；A 纳米电纺丝；B 基体；C SU8胶； D 区域化的电纺丝；

图2 PLGA电纺丝区域化实物照片；

图3区域化电纺丝ATR-FTIR 透射光谱图；

图4 区域化电纺丝电镜图，图片依次逐渐放大，A放大倍数为10倍；B放大倍数为100倍；C放大倍数为1000倍；D 放大倍数为1000倍；

图5区域化电纺丝密封性实验照片；

图6区域化电纺丝用于干细胞三维培养。

具体实施方式

以下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  PLGA （聚乳酸-羟基乙酸共聚物）电纺丝区域化

将PLGA溶于三氟乙醇中，配成8%的溶液，并置于磁力搅拌器上搅拌1小时后备用。PLGA 溶液注入到1mL的注射器内，注射器针头尖端磨平，且连接高压电源的正极。洁净的玻璃放置在连通高压地电极的铝块上，与注射器针头的距离为8cm，高压电源输出电压为8kV，注射泵流速为0.4mL/h,纺丝时间为0.5小时，得到纺丝厚度为40μm。将玻璃及其上的纺丝取下，放置于XY轴两维电动平移台上，SU8胶注入注射器中，并固定在Z轴平移台上，调节注射器针头与电纺丝表面的距离使其小于100μm。设定注射泵流速为0.8mL/h，使SU8匀速流体针头，同时启动XY轴两维电动平移台控制程序使电纺丝按设定的路径移动，形成不同的区域。待SU8完全渗入到电纺丝内部并到达玻璃后，将玻璃和电纺丝置于紫外灯下照射，使SU8固化，便完成PLGA电纺丝的区域化，整个流程如图1所示。图2为所制备的区域化的PLGA电纺丝实物照片。

实施例2： PS （聚碳酸酯）电纺丝区域化

将PS溶于THF和丙酮混合溶液中（体积比1：1），配成12%的溶液，并置于磁力搅拌器上搅拌5小时后备用。PS溶液注入到1mL的注射器内，注射器针头尖端磨平，且连接高压电源的正极。洁净的玻璃放置在连通高压地电极的铝块上，与注射器针头的距离为5cm，高压电源输出电压为10kV，注射泵流速为0.4mL/h，纺丝时间为0.5小时，得到纺丝厚度为40μm。将玻璃及其上的纺丝取下，放置于XY轴两维电动平移台上，SU8胶注入注射器中，并固定在Z轴平移台上，调节注射器针头与电纺丝表面的距离使其小于100μm。设定注射泵流速为0.8mL/h，使SU8匀速流体针头，同时启动XY轴两维电动平移台控制程序使电纺丝按设定的路径移动，形成不同的区域。待SU8完全渗入到电纺丝内部并到达玻璃后，将玻璃和电纺丝置于紫外灯下照射，使SU8固化。便完成了PS电纺丝的区域化。

实施例3：采用区域化电纺丝的方法制备电纺丝阵列用于细胞的三维培养

采用实施实例1所用的方法，制备用于三维细胞培养的区域化电纺丝阵列。区域化后的电纺丝，被分割成直径为3mm的圆形细胞培养区域。由于细胞培养条件比较苛刻，因此用于细胞培养前必须对这种方式是否影响电纺丝的性质进行表征：从图3和图4可以看出采用这种方式制备的区域化电纺丝化学性质和表面形貌都没有改变。同时由于SU8的疏水性，每个培养池里的溶液可以很好的保持，不会影响到其它培养池。图5为将染料分别加入到区域化的电纺丝内部，可以看出没有液体从内部渗出，具有良好的密闭性。将区域化的电纺丝用于细胞培养，处理条件如下：区域化的电纺丝首先在紫外灯下照射4小时，将干细胞添加到培养池中，干细胞培养液的组成如下（                                                -MEM+ 10% 小牛血清+100U/mL 盘尼西林+100μg/mL 链霉素.）置于37度培养箱中。每天换一次培养液，每隔1天取出区域化的电纺丝，用荧光纤维镜记录其上细胞的生长情况，如图6所示。从图中我们可以看出，干细胞在区域化电纺丝上生长、增殖情况良好。上述试验证实区域化电纺丝可以有效的形成不同的细胞培养区域，轻且不影响细胞的生长特性，对提高电纺丝培养细胞的通量，降低培养成本具有重要意义。

Claims (9)

1.一种简便的纳米电纺丝区域化方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：

——将干净的基体材料，置于接通高压电源地线的铝块之上，注射器针头尖端磨平并接通高压电源的正极，采用注射泵推动注射器，使注射器中的高分子材料溶液或高分子材料溶液与无机物的混合物，按0.4～2mL/h流速输出到注射器针头，在高压电场的作用下在基体表面形成纳米电纺丝；

——将一个具有平滑端口的中空管一端通过软管接到注射器上，注射器中带有液态的SU8胶，并置于注射泵上；另一端固定在可上下移动的Z轴平台上；

——将带有纳米电纺丝的基体放于X Y两维电动平移台上，固定好；

——调节Z轴高度，使中空管的尖端距离纳米电纺丝的距离小于100微米；

——通过电脑程序控制带有SU8胶注射器的注射泵的流速，使注射器内的SU8胶按0.4mL～4mL/h流速从中空金属管的内部挤出；

——通过电脑程序控制XY两维电动平移台，使其按设定的图形进行运动，从而SU8胶便在纳米电纺丝上形成图案化；

——待SU8胶渗入到纳米电纺丝空隙，到达基体后采用UV灯照射，使SU8胶固化。

2.按照权利要求1所述的纳米电纺丝区域化方法，其特征在于：所述的基体材料为玻璃或PDMS或其它高分子聚合物。

3.按照权利要求1所述的纳米电纺丝区域化方法，其特征在于：所述的纳米电纺丝材料范围广泛，包括高分子材料溶液或高分子材料溶液与无机物的混合物。

4.按照权利要求1或3所述的纳米电纺丝区域化方法，其特征在于：所述高分子材料为PS、PLGA、PLLA、壳聚糖、蚕丝蛋白、明胶中的一种或多种。

5.按照权利要求1所述的纳米电纺丝区域化方法，其特征在于：所述的SU8胶在纳米电纺丝上形成图案化，设定的图形在电脑程序内任意设计，包括圆形，方形，椭圆，三角，直线，曲线各种形状及这些形状的组合体。

6.按照权利要求1所述的纳米电纺丝区域化方法，其特征在于：所述的SU8胶为一种环氧型光刻胶，其常温下为液态，同时具有较高的粘度，易于提高图形的分辨率；此胶固化后易于跟基体结合，将纳米电纺丝固定于基体之上，同时具有疏水性，易于形成区域化纳米电纺丝阵列。

7.按照权利要求1所述的纳米电纺丝区域化方法，其特征在于：该方法可以将纳米电纺丝与微流控新技术进行集成；通过在基体上加工微小的过孔，同时在基体的背面集成微流通道，过孔实现微流通道内液体和区域化纳米电纺丝间溶液的连通。

8.按照权利要求1所述方法得到的区域化纳米电纺丝，其特征在于：相互之间具有很好的隔离性，可以采用不同浓度的药物或者不同浓度的生物因子溶液进行修饰。

9.按照权利要求8所述的区域化纳米电纺丝，其特征在于：可以实现不同种类的细胞在相同纺丝条件、不同浓度条件的三维培养，实现细胞多参数的培养条件的筛查，降低筛查成本。