CN103789813A - 电泳沉积法制备壳聚糖/透明质酸层层复合膜 - Google Patents
电泳沉积法制备壳聚糖/透明质酸层层复合膜 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及利用电泳沉积法制备壳聚糖/透明质酸多层复合膜及最外层分别为壳聚糖膜和透明质酸膜时对L929细胞生长增殖的影响。利用壳聚糖和透明质酸对pH敏感的特性，将处理好的钛电极交替放入壳聚糖和透明质酸溶液中，在一定电场强度下，得到壳聚糖/透明质酸层层复合膜。对得到的层层复合膜进行L929细胞增殖生长实验，结果表明复合膜的最外层不同时，细胞的生长状况是不同的，最外层为透明质酸比最外层为壳聚糖时细胞具有更好的生长增殖状况，这在组织工程支架领域具有一定的应用价值。本发明制备层层复合膜不需使用交联剂，操作过程简单，成本低廉，并且可以通过本发明大批量、连续制备壳聚糖/透明质酸层层复合膜。
Description
技术领域
本发明涉及一种壳聚糖/透明质酸层层复合膜修饰金属钛电极的电泳沉积制备方法，属于组织工程支架领域。
背景技术
电泳沉积是在胶体溶液中对电极施加电压时，胶体粒子移向电极表面放电而形成沉积层的过程。它的原理是胶体在阴阳两极，施加于电压作用下，带电荷胶粒离子移动到相反电极，并与该电极表面所产生酸性或碱性作用形成不溶解物，沉积于工件表面的过程。电泳沉积作为一种低成本且易操作的方法，常用来制备材料保护层和集成电路，如今，这种方法扩展到软物质（聚合物高分子等）并引起广泛关注。Jody Redepenning等人用电泳沉积法制备了壳聚糖/羟基磷灰石复合涂层，实验证明这种复合涂层对基材的粘附能力有很大的提高。公开号为CN102534731A的中国专利提供一种制备二氧化钒薄膜的方法，其特征在于，先将二氧化钒粉体加入到溶剂中，然后加规定量碘单质、超声分散，制备出分散较好的悬浮液，作为电泳沉积液。使用导电衬底作电极，用直流电源来提供电压或电流，将电极放入到二氧化钒悬浮液中，通过调节电压、电流、沉积时间等在电极上直接得到二氧化钒沉积薄膜，自然晾干或烘干。此发明方法的特点在于先成相后成膜，电极上不发生电化学反应，沉积前后粉体的相不发生变化、克服了现有制备技术先成膜后成相而导致薄膜不纯的缺点。制备膜厚可以控制，工艺简单，反应条件温和，沉积时间短，膜层生长速率快，稳定性高，废液可以循环利用，经济且无污染，适合大面积和大批量生产。公开号为CN102262114A的中国专利公开了聚吡咯－壳聚糖－酶复合膜修饰电极的电化学制备方法，通过将阴极置于配好的溶液中，通电进行电化学合成，聚吡咯、壳聚糖与酶附着在阴极表面，即得到聚吡咯-壳聚糖-酶复合膜修饰电极。这种制备方法条件简单，容易操作，且聚吡咯-壳聚糖-酶复合膜厚度可控，酶固定量可控。公开号为CN102181912A公开了一种纳米材料技术领域的基于电泳沉积纳米聚合物复合材料的制备方法。通过将碳纳米管或碳纳米纤维与表面活性剂混合后加水得到碳纳米电泳悬浮液，然后与熟化处理后的阳极电泳涂料或者阴极电泳涂料混合后经电泳沉积和固化处理，得到纳米聚合物复合材料。此发明所制备复合材料中碳纳米管/碳纳米纤维在聚合物中分散性良好、和聚合物结合较好，有效地改善了原有聚合物的性能。
一般制备多层膜的方法有溶液铸膜和层层自主装等。Uttam Manna等人用层层自主装的方法制备了可同时封装亲水和疏水分子的中空微囊薄膜，这种方法给制备双重药物微胶囊提供了一种新的思路。与这些方法相比，电泳沉积法在制备多层膜方面具有以下优点：
（1）成本低，耗时短，装置要求低，不需要交联剂；
（2）制备微米结构和纳米结构的生物材料，同时将结构复杂，功能不同的生物材料很好的结合在一起；
（3）通过调节电泳沉积的时间和电泳液的浓度，可以简单有效的控制膜的厚度和表面形态。
目前，生物高分子电泳沉积的机理主要有（1）电化学反应机理，如制备导电高分子膜（聚吡咯）；（2）中和反应机理，如pH-敏感聚合物多氨基壳聚糖等，可以通过阴极中和反应机理沉积在阴极；（3）Ca+-透明质酸沉积机理，这种机理可以制备热敏高分子和中性多糖的共沉积复合物。以上机理都是通过电信号来引发溶胶-凝胶转变过程的发生。
壳聚糖和透明质酸钠作为天然生物高分子材料，被广泛用于生物医学领域，它们具有易制备，无毒，易降解和生物相容性好的特性。壳聚糖上具有大量的氨基，质子化后可以得到壳聚糖溶液。壳聚糖作为聚阳电解质，是第一个用于电泳沉积的多糖，基于中和反应机理。阴极电解水，电极附近的pH增加，当pH≈6.3时，壳聚糖上的伯氨基会去质子化，在阴极表面引发溶胶-凝胶转变，进而壳聚糖沉积在阴极表面。在电极附近pH高于6.3时，沉积的壳聚糖凝胶膜都是稳定的。透明质酸钠作为聚阴电解质，含有大量的羧基，阳极附近由于电解水，pH会降低，当pH≈3.6时，透明质酸钠上大量的羧基会发生质子化，在阳极表面引发溶胶-凝胶转变，进而透明质酸沉积在阳极表面。
发明内容
本发明的目的是提供一种壳聚糖/透明质酸层层复合膜的制备方法。
本发明是以壳聚糖和透明质酸钠为原料，基于中和反应机理，用电泳沉积的方法制备了壳聚糖/透明质酸层层复合膜，修饰金属钛电极，并研究了不同层数的复合膜对L929细胞增殖生长的影响。该制备方法包括以下步骤：
（1）钛电极的处理：将长3cm,宽2cm，厚0.5cm的钛片用不同目数的砂纸摩擦；将钛片放入水/硝酸/氢氟酸混合溶液中，进行化学抛光2分钟，这三种物质的体积比为5:4:1；依次用丙酮，乙醇，水进行超声清洗处理过的钛片10分钟；
（2）壳聚糖电解液的配制：将壳聚糖溶解在超纯水水中，配成一定重量百分比的溶液，然后将溶液充分搅拌，以致完全溶解，即得到壳聚糖电解液；
（3）透明质酸钠电解液的配制：将透明质酸钠溶解在超纯水中，配成一定重量百分比的溶液，然后将溶液充分搅拌，以致完全溶解，即得到透明质酸钠电解液；
（4）钛电极表面沉积壳聚糖膜：取一片（1）中处理的钛片，一片铂片，通过导线连在一台单路稳压稳流电源上，钛片为阴极，铂片为阳极；取一定量的步骤（2）中配制的壳聚糖电解液，加入到电解槽中，把上面两个电极插入到电解槽中，电极相隔一定距离；接通电源，控制稳压稳流电源的电压，在一定的电压下进行电泳沉积；一段时间后，取出钛电极，在烘箱中干燥，得到钛电极表面沉积壳聚糖膜；
（5）钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸两层膜：把（4）中制备的表面沉积有壳聚糖膜的钛片作为阳极，铂片作为阴极，通过导线连在单路稳压稳流电源上；取一定量的步骤（3）中配制的透明质酸钠电解液，加入到电解槽中，把上面两个电极插入到电解槽中，电极相隔一定距离；接通电源，控制稳压稳流电源的电压，在一定的电压下进行电泳沉积；一段时间后，取出钛电极，在烘箱中干燥，得到钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸两层膜；
（6）钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸多层复合膜：把（5）中制备的表面沉积有壳聚糖/透明质酸两层膜的钛片作为阴极，铂片作为阳极，通过导线连在单路稳压稳流电源上；取一定量的步骤（2）中配制的壳聚糖电解液，加入到电解槽中，把上面两个电极插入到电解槽中，电极相隔一定距离；接通电源，控制稳压稳流电源的电压，在一定的电压下进行电泳沉积；一段时间后，取出钛电极，在烘箱中干燥，得到钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸/壳聚糖三层膜；再依次重复步骤（5）、（4），可以得到钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸多层复合膜
（7）细胞生长测试：在最外层分别为透明质酸和壳聚糖的钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸多层复合膜表面进行细胞培养测试，随着时间的变化，复合膜表面细胞的生长情况可由扫描电镜测试得到。
电泳沉积法可以在室温下用来制备具有层层结构的壳聚糖-透明质酸膜，其中壳聚糖膜和透明质酸膜的厚度可以达到微米级，L929细胞在壳聚糖为最外层或透明质酸为最外层所表现出来的生长增殖情况是不一样的，这在组织工程支架领域具有一定的应用价值。
附图说明
图1.为电泳沉积得到的钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸多层复合膜；
图2.为钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸多层复合膜最外层分别为透明质酸和壳聚糖时，细胞的生长扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1：
（1）依次用200、400、600、800和1200目的砂纸摩擦钛片；将钛片放入水/硝酸/氢氟酸混合溶液中，进行化学抛光2分钟，这三种物质的体积比为5:4:1；依次用丙酮，乙醇，水进行超声清洗处理过的钛片10分钟；
（2）将0.1g分子量为5万，脱乙酰度为85%的壳聚糖溶解在100mL超纯水水中，配成重量百分比为0.1%的溶液，然后将溶液充分搅拌，以致完全溶解，即得到壳聚糖电解液；将0.1g,分子量为6000的透明质酸钠溶解在100mL超纯水水中，配成重量百分比为0.1%的溶液，然后将溶液充分搅拌，以致完全溶解，即得到透明质酸钠电解液；
（3）取一片（1）中处理的钛片，一片铂片，通过导线连在一台单路稳压稳流电源上，钛片为阴极，铂片为阳极；取35mL的步骤（2）中配制的壳聚糖电解液，加入到长5.5cm，宽3cm，高2cm电解槽中，把上面两个电极插入到电解槽中，电极相隔5cm；接通电源，控制稳压稳流电源的电压，在36V电压下进行电泳沉积；30min后，取出钛电极，在烘箱中干燥，得到钛电极表面沉积壳聚糖膜，其扫描电镜图如图1（a）所示；
（4）把（3）中制备的表面沉积有壳聚糖膜的钛片作为阳极，铂片作为阴极，通过导线连在单路稳压稳流电源上；取35mL的步骤（2）中配制的透明质酸钠电解液，加入到长5.5cm，宽3cm，高2cm电解槽中，把上面两个电极插入到电解槽中，电极相隔5cm；接通电源，控制稳压稳流电源的电压，在36V电压下进行电泳沉积；30min后，取出钛电极，在烘箱中干燥，得到钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸两层膜，其扫描电镜图如图1（b）所示；
（5）把（4）中制备的表面沉积有壳聚糖/透明质酸两层膜的钛片作为阴极，铂片作为阳极，通过导线连在单路稳压稳流电源上；取35mL的步骤（2）中配制的壳聚糖电解液，加入到电解槽中，把上面两个电极插入到电解槽中，电极相隔5cm；接通电源，控制稳压稳流电源的电压，在36V电压下进行电泳沉积；30min后，取出钛电极，在烘箱中干燥，得到钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸/壳聚糖三层膜；再依次重复步骤（4）、（3），可以得到钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸多层复合膜；
（6）在最外层分别为透明质酸和壳聚糖的钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸多层复合膜表面进行L929细胞培养测试，其细胞生长如扫描电镜图2所示。
实施例2：
（1）依次用200、400、600、800和1200目的砂纸摩擦钛片；将钛片放入水/硝酸/氢氟酸混合溶液中，进行化学抛光2分钟，这三种物质的体积比为5:4:1；依次用丙酮，乙醇，水进行超声清洗处理过的钛片10分钟；
（2）将0.5g分子量为10万，脱乙酰度为89%的壳聚糖溶解在100mL超纯水水中，配成重量百分比为0.5%的溶液，然后将溶液充分搅拌，以致完全溶解，即得到壳聚糖电解液；将0.5g,分子量为8000的透明质酸钠溶解在100mL超纯水水中，配成重量百分比为0.5%的溶液，然后将溶液充分搅拌，以致完全溶解，即得到透明质酸钠电解液；
（3）取一片（1）中处理的钛片，一片铂片，通过导线连在一台单路稳压稳流电源上，钛片为阴极，铂片为阳极；取35mL的步骤（2）中配制的壳聚糖电解液，加入到长5.5cm，宽3cm，高2cm电解槽中，把上面两个电极插入到电解槽中，电极相隔5cm；接通电源，控制稳压稳流电源的电压，在36V电压下进行电泳沉积；30min后，取出钛电极，在烘箱中干燥，得到钛电极表面沉积壳聚糖膜；
（4）把（3）中制备的表面沉积有壳聚糖膜的钛片作为阳极，铂片作为阴极，通过导线连在单路稳压稳流电源上；取35mL的步骤（2）中配制的透明质酸钠电解液，加入到长5.5cm，宽3cm，高2cm电解槽中，把上面两个电极插入到电解槽中，电极相隔5cm；接通电源，控制稳压稳流电源的电压，在36V电压下进行电泳沉积；30min后，取出钛电极，在烘箱中干燥，得到钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸两层膜；
（5）把（4）中制备的表面沉积有壳聚糖/透明质酸两层膜的钛片作为阴极，铂片作为阳极，通过导线连在单路稳压稳流电源上；取35mL的步骤（2）中配制的壳聚糖电解液，加入到电解槽中，把上面两个电极插入到电解槽中，电极相隔5cm；接通电源，控制稳压稳流电源的电压，在36V电压下进行电泳沉积；30min后，取出钛电极，在烘箱中干燥，得到钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸/壳聚糖三层膜；再依次重复步骤（4）、（3），可以得到钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸多层复合膜；
（6）在最外层分别为透明质酸和壳聚糖的钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸多层复合膜表面进行L929细胞培养测试。
实施例3：
（1）依次用200、400、600、800和1200目的砂纸摩擦钛片；将钛片放入水/硝酸/氢氟酸混合溶液中，进行化学抛光2分钟，这三种物质的体积比为5:4:1；依次用丙酮，乙醇，水进行超声清洗处理过的钛片10分钟；
（2）将0.1g分子量为5万，脱乙酰度为85%的壳聚糖溶解在100mL超纯水水中，配成重量百分比为0.1%的溶液，然后将溶液充分搅拌，以致完全溶解，即得到壳聚糖电解液；将0.1g,分子量为6000的透明质酸钠溶解在100mL超纯水水中，配成重量百分比为0.1%的溶液，然后将溶液充分搅拌，以致完全溶解，即得到透明质酸钠电解液；
（3）取一片（1）中处理的钛片，一片铂片，通过导线连在一台单路稳压稳流电源上，钛片为阴极，铂片为阳极；取35mL的步骤（2）中配制的壳聚糖电解液，加入到长5.5cm，宽3cm，高2cm电解槽中，把上面两个电极插入到电解槽中，电极相隔3.5cm；接通电源，控制稳压稳流电源的电压，在20V电压下进行电泳沉积；40min后，取出钛电极，在烘箱中干燥，得到钛电极表面沉积壳聚糖膜；
（4）把（3）中制备的表面沉积有壳聚糖膜的钛片作为阳极，铂片作为阴极，通过导线连在单路稳压稳流电源上；取35mL的步骤（2）中配制的透明质酸钠电解液，加入到长5.5cm，宽3cm，高2cm电解槽中，把上面两个电极插入到电解槽中，电极相隔3.5cm；接通电源，控制稳压稳流电源的电压，在20V电压下进行电泳沉积；40min后，取出钛电极，在烘箱中干燥，得到钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸两层膜；
（5）把（4）中制备的表面沉积有壳聚糖/透明质酸两层膜的钛片作为阴极，铂片作为阳极，通过导线连在单路稳压稳流电源上；取35mL的步骤（2）中配制的壳聚糖电解液，加入到电解槽中，把上面两个电极插入到电解槽中，电极相隔3.5cm；接通电源，控制稳压稳流电源的电压，在20V电压下进行电泳沉积；40min后，取出钛电极，在烘箱中干燥，得到钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸/壳聚糖三层膜；再依次重复步骤（4）、（3），可以得到钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸多层复合膜；
（6）在最外层分别为透明质酸和壳聚糖的钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸多层复合膜表面进行L929细胞培养测试。
实施例4:
（1）依次用200、400、600、800和1200目的砂纸摩擦钛片；将钛片放入水/硝酸/氢氟酸混合溶液中，进行化学抛光2分钟，这三种物质的体积比为5:4:1；依次用丙酮，乙醇，水进行超声清洗处理过的钛片10分钟；
（2）将0.75g分子量为20万，脱乙酰度为90%的壳聚糖溶解在100mL超纯水水中，配成重量百分比为0.75%的溶液，然后将溶液充分搅拌，以致完全溶解，即得到壳聚糖电解液；将0.75g,分子量为4000的透明质酸钠溶解在100mL超纯水水中，配成重量百分比为0.75%的溶液，然后将溶液充分搅拌，以致完全溶解，即得到透明质酸钠电解液；
（3）取一片（1）中处理的钛片，一片铂片，通过导线连在一台单路稳压稳流电源上，钛片为阴极，铂片为阳极；取35mL的步骤（2）中配制的壳聚糖电解液，加入到长5.5cm，宽3cm，高2cm电解槽中，把上面两个电极插入到电解槽中，电极相隔3.5cm；接通电源，控制稳压稳流电源的电压，在60V电压下进行电泳沉积；20min后，取出钛电极，在烘箱中干燥，得到钛电极表面沉积壳聚糖膜；
（4）把（3）中制备的表面沉积有壳聚糖膜的钛片作为阳极，铂片作为阴极，通过导线连在单路稳压稳流电源上；取35mL的步骤（2）中配制的透明质酸钠电解液，加入到长5.5cm，宽3cm，高2cm电解槽中，把上面两个电极插入到电解槽中，电极相隔3.5cm；接通电源，控制稳压稳流电源的电压，在60V电压下进行电泳沉积；20min后，取出钛电极，在烘箱中干燥，得到钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸两层膜；
（5）把（4）中制备的表面沉积有壳聚糖/透明质酸两层膜的钛片作为阴极，铂片作为阳极，通过导线连在单路稳压稳流电源上；取35mL的步骤（2）中配制的壳聚糖电解液，加入到电解槽中，把上面两个电极插入到电解槽中，电极相隔5cm；接通电源，控制稳压稳流电源的电压，在36V电压下进行电泳沉积；30min后，取出钛电极，在烘箱中干燥，得到钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸/壳聚糖三层膜；再依次重复步骤（4）、（3），可以得到钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸多层复合膜；
（6）在最外层分别为透明质酸和壳聚糖的钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸多层复合膜表面进行L929细胞培养测试。
Claims (5)
1.本发明是以壳聚糖和透明质酸钠为原料，基于中和反应机理，用电泳沉积的方法制备了壳聚糖/透明质酸层层复合膜，修饰金属钛电极，并研究了不同层数的复合膜对L929细胞增殖生长的影响，该制备方法包括以下步骤：
（1）钛电极的处理：将长3cm,宽2cm，厚0.5cm的钛片用不同目数的砂纸摩擦；将钛片放入水/硝酸/氢氟酸混合溶液中，进行化学抛光2分钟，这三种物质的体积比为5:4:1；依次用丙酮，乙醇，水进行超声清洗处理过的钛片10分钟；
（2）壳聚糖电解液的配制：将壳聚糖溶解在超纯水水中，配成一定重量百分比的溶液，然后将溶液充分搅拌，以致完全溶解，即得到壳聚糖电解液；
（3）透明质酸钠电解液的配制：将透明质酸钠溶解在超纯水中，配成一定重量百分比的溶液，然后将溶液充分搅拌，以致完全溶解，即得到透明质酸钠电解液；
（4）钛电极表面沉积壳聚糖膜：取一片（1）中处理的钛片，一片铂片，通过导线连在一台单路稳压稳流电源上，钛片为阴极，铂片为阳极；取一定量的步骤（2）中配制的壳聚糖电解液，加入到电解槽中，把上面两个电极插入到电解槽中，电极相隔一定距离；接通电源，控制稳压稳流电源的电压，在一定的电压下进行电泳沉积；一段时间后，取出钛电极，在烘箱中干燥，得到钛电极表面沉积壳聚糖膜；
（5）钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸两层膜：把（4）中制备的表面沉积有壳聚糖膜的钛片作为阳极，铂片作为阴极，通过导线连在单路稳压稳流电源上；取一定量的步骤（3）中配制的透明质酸钠电解液，加入到电解槽中，把上面两个电极插入到电解槽中，电极相隔一定距离；接通电源，控制稳压稳流电源的电压，在一定的电压下进行电泳沉积；一段时间后，取出钛电极，在烘箱中干燥，得到钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸两层膜；
（6）钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸多层复合膜：把（5）中制备的表面沉积有壳聚糖/透明质酸两层膜的钛片作为阴极，铂片作为阳极，通过导线连在单路稳压稳流电源上；取一定量的步骤（2）中配制的壳聚糖电解液，加入到电解槽中，把上面两个电极插入到电解槽中，电极相隔一定距离；接通电源，控制稳压稳流电源的电压，在一定的电压下进行电泳沉积；一段时间后，取出钛电极，在烘箱中干燥，得到钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸/壳聚糖三层膜；再依次重复步骤（5）、（4），可以得到钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸多层复合膜；
（7）细胞生长测试：在最外层分别为透明质酸和壳聚糖的钛电极表面沉积壳聚糖/透明质酸多层复合膜表面进行细胞培养测试，随着时间的变化，复合膜表面细胞的生长情况可由扫描电镜测试得到。
2.根据权利要求1的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的壳聚糖分子量为1万～100万，脱乙酰度为80～92%，配置的溶液重量百分比为0.01%～1%。
3.根据权利要求1的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述的透明质酸钠分子量为8000～100万，配置的溶液重量百分比为0.01%～1%。
4.根据权利要求1的制备方法，其特征在于步骤（4）中取10～60mL壳聚糖溶液放入电解槽中，两电极的距离为1～5cm，电极电压为1V～100V,电沉积时间为10min～60min。
5.根据权利要求1的制备方法，其特征在于步骤（5）中取10～60mL透明质酸钠溶液放入电解槽中，两电极的距离为1～5cm，电极电压为1V～100V,电沉积时间为10min～60min。
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