CN104056306A - 具有拓扑结构的cnt/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具有拓扑结构的碳纳米管/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料及其制备方法，以静电纺丝聚合物纤维作为模板，采用电泳法在基材表面沉积CNT形成三维多孔网络CNT涂层，经过溶剂清洗和超声剥离得到具有定向凹槽结构的CNT涂层，再采用电化学脉冲聚合沉积导电聚合物，在CNT管束表面同轴包覆导电聚合物，制得具有定向凹槽结构的CNT/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料。本发明的神经导管材料表面在拓扑结构上具有两个层次：在微米尺度上，涂层具有图案化设计的微米级凹槽，为神经细胞骨架的重排提供导向作用；在纳米尺度上，涂层具有纳米级多孔网络结构，保证神经细胞附着和生长的物理条件以及神经导管优良的电化学性能。

Description

具有拓扑结构的CNT/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料及其制备方法

技术领域

本发明属于神经科学技术领域，涉及一种神经导管材料表面修饰涂层的图案化设计及其制备方法，具体涉及一种具有拓扑结构的CNT/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料及其制备方法，该修饰涂层具有良好的电化学性能和优异的细胞相容性，可促进神经细胞在导管表面的贴附、迁移、取向、生长，从而实现神经组织损伤的修复。

背景技术

神经组织损伤的救治与修复一直是生命科学领域研究的重要课题，由于严重创伤、肿瘤切除、先天性畸形等原因造成的神经缺损，其修复和功能重建仍是临床难题。对于神经长段缺损，植入神经导管材料在缺损的近、远两端起到桥接作用，替代自体神经修复神经缺损已成为一种趋势。

但神经系统并非单纯的组织学结构，它处于复杂的电学微环境之中，除了输送神经营养物质，还传递生理电信号，在生长和修复过程中均伴发电现象。生物体内普遍存在的生物电活动在维持正常生理功能方面必不可少，如神经系统的信号传导、肌肉收缩以及伤口愈合等。传统的神经修复支架材料因不具导电性或导电性较差，无法在神经修复过程中实施电信号传递以刺激和引导神经生长及轴突再生。神经修复后虽然有大量再生神经纤维，但由于运动终板等靶器官因失去电刺激而萎缩，功能恢复欠佳。尽管功能性电刺激促进周围神经再生的机制尚不明确，但大量的细胞和分子水平研究表明：通过具有电活性神经支架的电刺激可改变细胞外基质分子的局域电场，增加细胞对细胞外基质中蛋白的吸附和DNA的合成，从而促进神经细胞贴附、迁移和轴突生长。因而寻找具有电活性的支架材料已成为神经组织工程研究的重要内容。

同时，神经细胞具有复杂的排列形态，对所处的环境高度敏感，能根据其所接触的材料表面的拓扑形貌而取向生长。近年来随着纳米科技的迅速发展以及纳米生物学和医学研究的深入，人们开始注意到，相对于微米尺度，纳米尺度的拓扑结构与机体内细胞生长的自然环境更为相似，理想的神经支架材料应与神经组织具有的内部结构和空间尺寸相匹配，才能有利于神经的再生。由于细胞骨架受到表面诱导的重排，神经细胞倾向于沿着凹槽形成细长的形状。神经生长锥对物理拓扑结构非常敏感，甚至在缺少特定生化因子的情况下，这样的敏感性亦能主导神经突直接生长。研究表明，大多数神经细胞仅仅沿着凹槽和隆起 生长。例如在水平印记的图案上培养成年小鼠的神经轴突和感觉细胞，结果出现了明显的方向变化。对不同尺寸(深300nm，宽100-400nm，相邻凹槽间距100-1600nm)平行凹槽组成图案的研究结果表明，当宽度达到100nm甚至更大时，周围神经细胞的轴突通过拓扑结构表现出导向的效果。需要注意的是，神经细胞倾向于在隆起的边缘生长而不是在凹槽内。当凹槽深度在纳米级到微米级变化时，凹槽越深，拓扑结构的效果越明显。

因此，得到表面图案化的CNT/导电聚合物复合涂层，不仅能保证神经导管材料具有高选择性、高灵敏性以及优异的电荷转移特性，还能促进神经细胞在导管表面的贴附、迁移、取向、生长，保证神经细胞的存活，从而有利于实现神经导管材料的长期植入，以发挥修复受损神经的功效。

发明内容

本发明旨在基于长期植入型神经导管的应用要求而设计、制备一种图案化CNT/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料，该复合涂层在拓扑结构上具有微米和纳米两个结构层次：在微米尺度上，涂层具有图案化设计的微米级凹槽，为神经细胞骨架的重排提供了导向作用，有效影响神经细胞的生长行为，促进神经细胞的定向生长；在纳米尺度上具有纳米级多孔网络结构，保证了修饰涂层优良的电化学性能，有利于在神经细胞生长过程中实施电刺激，促进了神经的分化和增殖。因此，本发明的具有拓扑结构的CNT/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料，可实际应用于神经损伤修复，满足神经细胞生长的空间条件。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种具有拓扑结构的CNT/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料，包括神经导管基材，其特征在于，所述的神经导管基材表面修饰具有定向凹槽结构CNT/导电聚合物复合涂层，所述的复合涂层是由导电聚合物同轴包覆CNT管束形成的三维多孔网络结构，首先通过静电纺丝法在神经导管基材表面沉积取向的聚合物纤维，然后采用电泳法在神经导管基材表面沉积CNT形成三维多孔网络CNT涂层，经溶剂清洗和超声剥离后得到具有定向凹槽结构的CNT涂层；再采用电化学脉冲聚合法在CNT涂层上沉积导电聚合物，在CNT表面形成导电聚合物同轴包覆结构(即导电聚合物包覆在CNT管束表面，包覆后的导电聚合物层与CNT管具有同轴结构的形式)，得到具有微纳米拓扑结构的复合涂层。

优选地，所述的CNT(碳纳米管)为单壁碳纳米管(SWNT)。

所述的CNT/导电聚合物复合涂层具有微纳米复合结构，其中纳米层次上同轴包覆结构的CNT/导电聚合物管束的直径为10-20nm，管束所形成的三维多孔网络结构孔径在30-150nm左右，微米层次上的凹槽结构的凹槽宽度为1-2μm，深度为100-200nm，间距为10-40 μm。

本发明还涉及所述的具有定向凹槽结构的CNT/导电聚合物复合涂层的制备方法，即一种具有拓扑结构的CNT/导电聚合物复合涂层修饰神经导管材料的制备方法，其特征在于，首先通过静电纺丝法在导管基材表面沉积具有一定取向的聚合物纤维形成模板，然后在具有纤维模板的导管基材表面电泳沉积CNT形成三维多孔网络结构的CNT涂层，随后经溶剂清洗以及超声剥离得到具有凹槽结构的CNT涂层；再采用电化学脉冲聚合法在所得CNT涂层上沉积导电聚合物，在CNT管束表面同轴包覆导电聚合物，即为所述的具有定向凹槽结构的CNT/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料。

本发明的方法采用静电纺丝纤维作为构建凹槽结构的模板，在平行排布着聚合物纤维的导管基材表面电泳沉积CNT，得到的三维多孔网络结构的CNT涂层均匀分布在导管基材表面并包覆聚合物纤维，随后经溶剂浸泡清洗后，将CNT涂层中辅助沉积的金属化合物以及聚合物纤维除去，原聚合物纤维所在位置的CNT涂层变为中空的隆起结构，一定功率的超声波作用即可将其剥离，从而形成具有定向凹槽结构的CNT涂层。CNT涂层为纳米级三维多孔网络结构，通过添加多价金属离子至CNT分散液中，CNT会选择性吸收溶液中的金属离子，形成稳定的正电性胶体。在稳定的电场作用下，这些带电胶体粒子移向电极负极端，随后由于电极表面与胶体粒子之间的电子交换作用，CNT会以均匀的三维网络形式沉积在阴极电极上。多价金属离子的品种和浓度不同，CNT之间及其与电极间的相互作用亦不同，沉积在电极表面的CNT网络孔径也会随之变化，因而通过控制沉积液中多价金属离子的种类和浓度，可制备孔径可控的CNT三维网络。在此基础上，进一步采用电化学脉冲聚合法在导管材料表面的CNT涂层中沉积导电聚合物，利用导电聚合物与CNT之间的手性共轭作用，引导导电聚合物的分子链沿CNT轴螺旋生长，形成具有同轴结构的CNT/导电聚合物复合网络结构。此外，脉冲聚合过程通过控制导通电流时间和脉冲周期数，达到分步沉积的目的，可以有效地控制导电聚合物的厚度和缺陷，从而得到均匀规整的导电聚合物膜，制备得到具有定向凹槽结构的CNT/导电聚合物复合修饰涂层。

具体地，本发明的方法包括以下步骤：

a)采用静态平行电极作为静电纺丝的接收设备，将取向的聚合物纤维收集在导管基材表面，形成模板待用；

b)将纯化处理后的CNT分散于乙醇溶液中，并添加多价金属离子(选自Al³⁺、Ni²⁺、Co²⁺、Mg²⁺等，优选Al³⁺、Ni²⁺；金属离子浓度0.1-2mM，优选0.2-1mM)形成电解液，控制电泳沉积电压和时间，在具有取向聚合物纤维的导管基材表面电泳沉积CNT，形成三 维多孔网络结构的CNT涂层；然后经过溶剂(磷酸、去离子水和乙醇)浸泡、清洗，除去涂层中多余的金属离子，再经溶剂(三氯甲烷)浸泡、清洗除去聚合物纤维，最后将导管材料表面聚合物纤维溶出处形成的CNT涂层的中空部分超声剥离，得到具有定向凹槽结构的CNT涂层修饰导管材料；

c)在步骤b)得到的CNT涂层上，采用电化学脉冲聚合法沉积导电聚合物，采用三电极体系，在电解质和导电聚合物单体的混合水溶液中，以具有定向凹槽结构的CNT涂层修饰的导管材料作为工作电极，实施电化学脉冲聚合，在CNT束表面聚合形成导电聚合物捆扎涂层，得到导电聚合物同轴包覆CNT的复合涂层修饰的神经导管材料。

所述的电纺丝聚合物纤维包括但不限于聚乳酸、聚己内酯、聚乙烯醇、聚乙二醇、线性脂肪族聚酯、甲壳素、纤维素、胶原、多肽等，优选聚乳酸、聚己内酯或聚乙烯醇。

优选地，所述的静电纺丝过程中电压为6-9kV，接受距离为6-10cm，纺丝时间为4-6min，平行电极间距为1-2cm。

所述的电泳法是将导管基材作为电泳沉积的阴极，沉积电压为50-200V，沉积时间为5-10min，电泳沉积发生在阴极电极上。

所述的导电聚合物单体可选自苯胺、吡咯、噻吩，或是它们的衍生物。

所述的三电极体系中，可选用铂电极作为对电极，Ag/AgCl(饱和KCl溶液，下同)作为参比电极。电化学脉冲聚合过程中，沉积时间(T_d)控制为5-20s，休眠时间(T_r)控制为100-600s，总聚合时间为60-120s。

与现有技术相比，本发明具有以下突出的优点及有益效果：

(1)本发明的具有定向凹槽结构的CNT/导电聚合物复合修饰涂层在构建凹槽结构的过程中，并未使用条件苛刻、费用昂贵的光蚀刻、等离子蚀刻等技术，降低了成本并增加了电极基材的选择性，在实验研究和实际应用上更具价值。此外，本发明方法形成的凹槽具有较平滑的边缘，更利于神经细胞的贴附、伸展和导向。

(2)本发明的具有定向凹槽结构的CNT/导电聚合物复合修饰涂层，与传统CNT/导电聚合物复合修饰涂层相比，该涂层不仅具有纳米级的三维多孔网络结构，与神经细胞可形成一种交叉型亚细胞界面，更适合神经细胞的粘附，同时涂层中的微米级凹槽对神经细胞生长具有导向作用，进一步提高了修饰电极的生物相容性，有望实现电极的长期植入。

(3)本发明的具有定向凹槽结构的CNT/导电聚合物复合修饰涂层由于保存了CNT的三维多孔网络结构，其电子传送通道没有受到涂层物质的影响，而且导电聚合物的分子链沿CNT轴螺旋生长，进一步提升了复合电极材料的导电性能，具有高载流能力，可满足神 经导管的应用要求。

附图说明

图1为本发明的具有定向凹槽结构的CNT涂层修饰神经导管的形成过程示意图。

图2为本发明的具有拓扑结构的CNT/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管的微米尺度结构(扫描电子显微镜照片)。

图3为本发明的具有拓扑结构的CNT/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管的纳米尺度结构(扫描电子显微镜照片)。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但有必要指出以下实施例只用于对发明内容的描述，并不构成对本发明保护范围的限制，本发明保护范围以权利要求为准。

实施例1

取向聚乳酸(PLLA)纤维是通过静电纺丝技术实现的。将0.36g PLLA溶解在2.65g三氯甲烷和乙醇的混合液(体积比为3∶1)中，搅拌0.5h得到均匀的PLLA溶液用于纺丝。将静电纺丝的电压设定在6.5kV，接收器到针管的距离为7.5cm，这样可以保证纤维直径在1-2μm间，然后通过静态平行电极在导管基材上收集PLLA纺丝纤维，放入烘箱于60℃下烘烤0.5h，取出备用。

量取75μL0.1M的Al(NO₃)₃/乙醇溶液加入装有19.5mL无水乙醇的玻璃瓶中，随后向玻璃瓶中加入0.5mL混酸处理的单壁CNT/乙醇分散液(分散液浓度为0.5mg/mL)，在40kHz的条件下超声5min后用作电泳沉积。在本实施例中，取沉积有PLLA的导管基材作为电泳沉积的阴极，等面积的裸不锈钢片作为阳极，两电极之间的距离约为1cm，为保证电极之间的稳定性以及沉积在电极上物质的均匀性，取上述配制好的分散液1mL作为电解液，在50V的电压下电泳沉积5min。将得到的CNT涂层修饰导管材料在0.6M磷酸中浸泡15min，取出自然晾干后放入乙醇中浸泡10min，取出后经乙醇清洗自然晾干，放入三氯甲烷中浸泡10min，取出用三氯甲烷清洗晾干。将得到的CNT修饰的导管材料放入装有乙醇的称量瓶中，在40kHz的条件下超声5min后取出，经乙醇清洗后晾干，即得到具有定向凹槽结构的CNT修饰的导管材料。

以上述制备的CNT修饰导管为工作电极，在0.1M对甲基苯磺酸钠和0.02M吡咯的混合水溶液中，采用电化学脉冲聚合在CNT束的表面沉积导电聚合物。电化学沉积是在电 化学工作站中进行的，采用三电极体系，Ag/Ag⁺电极作为参比电极，Pt片充当对电极。聚合电位0.75V，沉积时间(T_d)为5s，休眠时间(T_r)为600s，聚合沉积过程中重复12个周期，得到具有定向凹槽结构的CNT/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料，将其在空气中晾干。

制备的样品性能参数：

神经导管材料表面凹槽结构的凹槽宽度为2μm，深度为150nm，间距为10-20μm；CNT/导电聚合物复合涂层具有三维多孔网络结构，孔径在50nm左右。

200圈循环伏安测试后电极电荷存储能力衰减36％，神经导管的电刺激寿命良好。

实施例2

按照与实施例1基本相同的方法制备具有定向凹槽结构的CNT涂层修饰导管材料，静电纺丝电压设定为8kV，电泳沉积时间设为10min。将上述制备的修饰导管为工作电极，在0.1M对甲基苯磺酸钠和0.01M的3，4-乙撑二氧噻吩的混合水溶液中，采用电化学脉冲聚合在CNT束的表面沉积导电聚合物。电化学沉积是在电化学工作站中进行的，采用三电极体系，Ag/Ag⁺电极作为参比电极，Pt片充当对电极。聚合电位1.0V，沉积时间(T_d)为5s，休眠时间(T_r)为600s，聚合沉积过程中重复12个周期，得到具有定向凹槽结构的CNT/导电聚合物复合涂层修饰神经导管材料，将其在空气中晾干。

制备的样品性能参数：

神经导管材料表面凹槽结构的凹槽宽度为1-2μm，深度为100nm，间距为20-40μm；CNT/导电聚合物复合涂层具有三维多孔网络结构，孔径在50nm左右。

200圈循环伏安测试后电极电荷存储能力衰减13％，神经导管的电刺激寿命良好。

实施例3

按照与实施例1基本相同的方法制备具有定向凹槽结构的CNT涂层修饰导管材料，静电纺丝电压设定为8kV，电泳沉积时间设为10min。将上述制备的修饰电极为工作电极，在0.1M高氯酸锂和0.02M苯胺的混合水溶液中，采用电化学脉冲聚合在CNT束的表面沉积导电聚合物。电化学沉积是在电化学工作站中进行的，采用三电极体系，Ag/Ag⁺电极作为参比电极，Pt片充当对电极。聚合电位1.0V，沉积时间(T_d)为5s，休眠时间(T_r)为600s，聚合沉积过程中重复4个周期，得到具有定向凹槽结构的CNT/导电聚合物复合涂层修饰神经导管材料，将其在空气中晾干。

制备的样品性能参数：

神经导管材料表面凹槽结构的凹槽宽度为1-2μm，深度为100nm，间距为20-40μm；CNT/导电聚合物复合涂层具有三维多孔网络结构，孔径在50nm左右。

200圈循环伏安测试后电极电荷存储能力衰减10％，神经导管的电刺激寿命良好。

实施例4

按照与实施例1基本相同的方法制备具有定向凹槽结构的CNT涂层修饰导管材料，电纺丝纤维采用聚己内酯/丝素蛋白复合纤维，其中控制聚己内酯和丝素蛋白的比例为1∶1，溶剂为六氟异丙醇，溶液中溶质浓度为7％。将上述制备的修饰电极为工作电极，在0.1M对甲基苯磺酸钠和0.01M的3，4-乙撑二氧噻吩的混合水溶液中，采用电化学脉冲聚合在CNT束的表面沉积导电聚合物。电化学沉积是在电化学工作站中进行的，采用三电极体系，Ag/Ag⁺电极作为参比电极，Pt片充当对电极。聚合电位1.0V，沉积时间(T_d)为5s，休眠时间(T_r)为600s，聚合沉积过程中重复4个周期，得到具有定向凹槽结构的CNT/导电聚合物复合涂层修饰神经导管材料，将其在空气中晾干。

制备的样品性能参数：

神经导管材料表面凹槽结构的凹槽宽度为1μm，深度为120nm，间距为20-40μm；CNT/导电聚合物复合涂层具有三维多孔网络结构，孔径在50nm左右。

200圈循环伏安测试后电极电荷存储能力衰减10％，神经导管的电刺激寿命良好。

Claims (10)

1.一种具有拓扑结构的碳纳米管(CNT)/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料，包括神经导管基材，其特征在于，所述的神经导管基材表面修饰具有定向凹槽结构的CNT/导电聚合物复合涂层，所述的复合涂层是由导电聚合物同轴包覆CNT管束形成的三维多孔网络结构。

2.根据权利要求1所述的具有拓扑结构的碳纳米管(CNT)/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料，其特征在于，所述的复合涂层中同轴包覆结构的CNT/导电聚合物管束的直径为10-20nm，管束所形成的三维多孔网络结构孔径为30-150nm，凹槽结构的凹槽宽度为1-2μm，深度为100-200nm，间距为10-40μm。

3.根据权利要求1所述的具有拓扑结构的碳纳米管(CNT)/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料，其特征在于，所述的CNT为单壁碳纳米管。

4.根据权利要求1所述的具有拓扑结构的碳纳米管(CNT)/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料，其特征在于，所述的神经导管材料采用以下方法制备，首先通过静电纺丝法在神经导管基材表面沉积取向的聚合物纤维，然后在神经导管基材表面电泳沉积CNT形成三维多孔网络CNT涂层，经溶剂清洗和超声剥离得到具有定向凹槽结构的CNT涂层；再采用电化学脉冲聚合法在所得CNT涂层上沉积导电聚合物，在CNT管束表面同轴包覆导电聚合物，制得所述的CNT/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料。

5.一种具有拓扑结构的CNT/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料的制备方法，其特征在于，首先通过静电纺丝法在导管基材表面沉积具有一定取向的聚合物纤维形成模板，然后在具有纤维模板的导管基材表面电泳沉积CNT形成三维多孔网络结构的CNT涂层，随后经溶剂清洗以及超声剥离得到具有定向凹槽结构的CNT涂层；再采用电化学脉冲聚合法在所得CNT涂层上沉积导电聚合物，在CNT管束表面同轴包覆导电聚合物，制得具有定向凹槽结构的CNT/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

a)采用静态平行电极作为静电纺丝的接收设备，将取向的聚合物纤维收集在导管基材表面，形成模板待用；

b)将纯化处理后的CNT分散于乙醇溶液中，并添加多价金属离子形成电解液，控制电泳沉积电压和时间，在具有取向聚合物纤维的导管基材表面电泳沉积CNT，形成三维多孔网络结构的CNT涂层；然后经过溶剂浸泡、清洗，依次除去涂层中的金属离子和聚合物纤维，最后将聚合物纤维溶出处形成的CNT涂层的中空部分超声剥离，得到具有定向凹槽结构的CNT涂层修饰导管材料；

c)在步骤b)得到的具有定向凹槽结构CNT涂层上利用电化学脉冲聚合法沉积导电聚合物，采用三电极体系，在电解质和导电聚合物单体的混合水溶液中，以具有定向凹槽结构的CNT涂层修饰的导管材料作为工作电极，在CNT束表面沉积导电聚合物形成同轴包覆结构，得到所述的CNT/导电聚合物复合涂层修饰的神经导管材料。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中，所述的电纺丝聚合物纤维选自聚乳酸、聚己内酯、聚乙烯醇、聚乙二醇、线性脂肪族聚酯、甲壳素、纤维素、胶原或多肽；所述的静电纺丝电压为6-9kV，接收距离为6-10cm，纺丝时间为4-6min，平行电极间距1-2cm。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中，所述的电泳沉积发生在阴极电极上；电泳沉积电压为50-200V，沉积时间为5-10min，所述的多价金属离子选自Al³⁺、Ni²⁺、Co²⁺或Mg²⁺，电解液中多价金属离子浓度为0.1-2mM。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中，所述的溶剂为磷酸、去离子水、乙醇和/或三氯甲烷。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤c)中，所述的导电聚合物单体为苯胺、吡咯、噻吩或其衍生物；所述的电化学脉冲聚合过程中，沉积时间控制为5-20s，休眠时间控制为100-600s，总聚合时间为60-120s。