CN106317297B - 应用于3d打印的温敏培养表面复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种应用于3D打印的温敏培养表面复合材料，包括温敏单体、接枝单体、交联剂、化学引发剂、光敏引发剂和溶剂，其中，温敏单体和接枝单体的摩尔比值在95:5～85:15范围内，交联剂为温敏单体和接枝单体总摩尔数量的0.5%～1%，化学引发剂为温敏单体和接枝单体总摩尔数量的0.5%～1%，光敏引发剂为温敏单体和接枝单体总摩尔数量的0.5%～2%。本发明的温敏材料组合物配合光固化3D打印智能制造技术，温敏培养表面厚度更加均匀一致，其反应更彻底，温敏聚合物接枝反应更完善。制备的温敏培养表面温度响应敏感度高，可用于细胞或组织培养，并通过温度调节进行无损伤细胞收获或组织移植。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于3D打印的温敏培养表面复合材料 。
背景技术
随着人类科技水平的不断进步，温度响应性材料研究领域的成果也日益丰富。其中，将温度响应性材料应用到细胞和组织培养、药物缓释、蛋白分离和纯化等领域的研究论文和专利报道在最近几十年也日益增多。在生物、药物和医学领域中，这些温度响应性材料中属N-异丙基丙烯酰胺类温敏聚合物的研究报道最多。这类温敏材料有一个结构随温度变化而发生变化的特性，从而导致材料的亲水-疏水性能发生转变。其亲疏水性转变有一个临界转变温度（LCST），高于此温度，材料即表现为疏水；低于此温度，材料即表现为亲水。在细胞生物学和组织工程学领域，利用N-异丙基丙烯酰胺类温敏聚合物随环境温度的变化而发生亲水和疏水性转变的特性可以在无需外添加蛋白水解酶的条件下实现细胞的无损伤收获或组织片层的无损伤转移，从而降低细胞和组织片层的培养成本和提高收获细胞和组织片层的完美程度及功能。
目前报道的文献和专利中，这种用来进行细胞和组织培养的温敏表面的制备方法中，大多数都是采用先将N-异丙基丙烯酰胺类单体配制成一定浓度的温敏溶液，然后要么将该温敏溶液采用手工涂布在预接枝的基材表面，要么将预接枝的基材表面浸渍在温敏液中一定时间后再取出，最后进行高能电子束辐射进行接枝反应。这中制备温敏培养表面的方法存在很多缺点，首先是高能电子束设备极其昂贵使其难以普及，还有手工涂布会使温敏物质分布和厚度不均匀使该方法重现性差，再者高剂量的电子束辐射会使预接枝的基材发生颜色变化、力学性能降低而使最终的制品使用性能变差。
在已有的专利和文献报道中，也有很少的研究者采用在温敏液中添加光敏剂，然后进行基材表面的温敏液涂布，最后用紫外灯光照引发接枝聚合反应来制备温敏培养表面的方法。这种方法同样是存在温敏聚合物层分布和厚度不均匀的问题，而且靠单一的紫外灯光辐射聚合方式，温敏单体很难反应彻底。此外，还有一部分研究者先在预接枝的基材表面引入含卤原子的基团，然后利用原子转移自由基聚合原理引发温敏单体进行定点聚合，从而实现培养表面的温敏特性。该种温敏培养表面的制备方法虽然最后制备的温敏表面性能比较均一，但是工艺比较复杂，制备成本较高，接枝量偏低，所以难以实现批量制备。
3D打印技术是先通过计算机三维软件对预制备的产品进行三维图形设计，然后将三维图形信息转换成3D打印代码并将其输入到3D打印机中，通过打印机的层层打印叠加最后形成实体的智能制造技术。在所有的3D打印技术中，光固化3D打印技术制造的速度最快，而且打印精度高，重现性好，层厚误差可以控制在正负0.001～0.002mm，是一种最利于规模化的智能制造技术。但是将光固化3D打印技术应用到温敏培养表面的制备中还未见有文献和专利报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于3D打印的温敏培养表面复合材料，以克服现有技术中所存在的不足。
本发明解决其技术问题的技术方案是：一种应用于3D打印的温敏培养表面复合材料，包括温敏单体、接枝单体、交联剂、化学引发剂、光敏引发剂和溶剂，其中，温敏单体和接枝单体的摩尔比值在95:5～85:15范围内，交联剂为温敏单体和接枝单体总摩尔数量的0.5%～1%，化学引发剂为温敏单体和接枝单体总摩尔数量的0.5%～1%，光敏引发剂为温敏单体和接枝单体总摩尔数量的0.5%～2%。
所述溶剂质量分数为温敏培养表面复合材料的总固含量的40%～60%。
所述温敏单体包括N-异丙基丙烯酰胺或N-异丙基-2-甲基丙烯酰胺，或N-异丙基丙烯酰胺与N-异丙基-2-甲基丙烯酰胺的共混物，或N-异丙基丙烯酰胺与N-异丙基-2-甲基丙烯酰胺的低聚物，或由分子量小于2000的N-异丙基丙烯酰胺与N-异丙基-2-甲基丙烯酰胺的低聚物混合所得的共混物。
所述接枝单体包括含有不饱和双键的硅烷类偶联剂、烯丙基三乙氧基硅烷、烯丙基三甲氧基硅烷、2-甲基烯丙基三乙氧基硅烷、2-甲基烯丙基三甲氧基硅烷、丙烯酸丙酯-3-三甲氧基硅烷、丙烯酸丙酯-3-三乙氧基硅烷、甲基丙烯酸丙酯-3-三甲氧基硅烷、甲基丙烯酸丙酯-3-三乙氧基硅烷的其中一种或任意两种、或两种以上的混合物。
所述交联剂包括二丙烯酸-1，4-丁二醇酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、N,N-亚甲基双丙烯酰亚胺、双马来酰亚胺类物质，所述交联剂含有两个或两个以上不饱和双键。
所述化学引发剂包括偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈或过氧化二叔丁基、过氧化苯甲酰、过氧化二异丙苯、过硫酸钾、过硫酸铵。
所述光敏引发剂采用能在光照下直接分解生产自由基或阴离子、阳离子的安息香及其衍生物、或苯乙酮类衍生物、或二苯甲酮及其衍生物。
所述溶剂是极性的非质子溶剂，包括N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、环己酮的其中一种或多种，所述溶剂是不与羟基和羧基反应的低毒性化合物。
本发明的有益效果是：
本发明的的温敏材料组合物配合光固化3D打印智能制造技术，温敏培养表面厚度更加均匀一致，其反应更彻底，温敏聚合物接枝反应更完善。制备的温敏培养表面温度响应敏感度高，可用于细胞或组织培养，并通过温度调节进行无损伤细胞收获或组织移植。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，应当指出，本发明所描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例 1
本实施例制备一种温敏培养表面产品，详细制备步骤如下：
按照摩尔比95:5称量N-异丙基丙烯酰胺和烯丙基三乙氧基硅烷，然后分别称量摩尔数为前两者之和的0.5%的N,N-亚甲基双丙烯酰胺、过氧化苯甲酰、安息香，最后加入为总质量分数40%的四氢呋喃作为溶剂，搅拌使其充分溶解，用300目筛网过滤待用。
将硅酸盐玻璃薄片基底材料分别在氢氧化钠水溶液和双氧水硫酸水溶液中浸泡处理，烘干。将前面配制好的温敏材料混合溶液加入到喷射型光固化3D打印机的树脂液池中，输入预先用计算机3D软件设计好并转换的打印代码（此实施例中设计打印温敏层厚为10um）。将前面处理过的玻璃薄片基材放置在3D打印机的打印床上，开启3D打印机并开始打印。待3D打印机打印结束后，将打印温敏层的玻璃薄片放入100℃的加热恒温通道中加热处理20min使其进一步接枝固化。处理完后，将其放入RO水中浸泡清洗48h，在50KHz频率下超声清洗5分钟，然后烘干测温敏培养表面与水在25℃的接触角为68o，并送去伽玛辐射消毒后进行3T3细胞培养测试。细胞培养条件为：5% CO2, 含10%胎牛血清的基础培养基，37℃在培养箱中培养48h，然后在20℃条件下放置20min，用巴氏吸管轻轻吹打15下，细胞可以成片全部脱落。
实施例 2
本实施例制备一种温敏培养表面产品，详细制备步骤如下：
按照摩尔比95:5称量N-异丙基丙烯酰胺和烯丙基三乙氧基硅烷，然后分别称量摩尔数为前两者之和的0.8%的N,N-亚甲基双丙烯酰胺、过氧化苯甲酰、安息香，最后加入为总质量分数40%的四氢呋喃作为溶剂，搅拌使其充分溶解，用300目筛网过滤待用。
将硅酸盐玻璃薄片基底材料分别在氢氧化钠水溶液和双氧水硫酸水溶液中浸泡处理，烘干。将前面配制好的温敏材料混合溶液加入到喷射型光固化3D打印机的树脂液池中，输入预先用计算机3D软件设计好并转换的打印代码（此实施例中设计打印温敏层厚为10um）。将前面处理过的玻璃薄片基材放置在3D打印机的打印床上，开启3D打印机并开始打印。待3D打印机打印结束后，将打印温敏层的玻璃薄片放入100℃的加热恒温通道中加热处理20min使其进一步接枝固化。处理完后，将其放入RO水中浸泡清洗48h，在50KHz频率下超声清洗5分钟，然后烘干测温敏培养表面与水在25℃的接触角为70o，并送去伽玛辐射消毒后进行3T3细胞培养测试。细胞培养条件为：5% CO2, 含10%胎牛血清的基础培养基，37℃在培养箱中培养48h后在20℃条件下放置20min，用巴氏吸管轻轻吹打13下，细胞可以成片全部脱落。
实施例 3
本实施例制备一种温敏培养表面产品，详细制备步骤如下：
按照摩尔比90:10称量N-异丙基丙烯酰胺和烯丙基三乙氧基硅烷，然后分别称量摩尔数为前两者之和的0.8%的N,N-亚甲基双丙烯酰胺、过氧化苯甲酰、安息香，最后加入为总质量分数40%的四氢呋喃作为溶剂，搅拌使其充分溶解，用300目筛网过滤待用。
将硅酸盐玻璃薄片基底材料分别在氢氧化钠水溶液和双氧水硫酸水溶液中浸泡处理，烘干。将前面配制好的温敏材料混合溶液加入到喷射型光固化3D打印机的树脂液池中，输入预先用计算机3D软件设计好并转换的打印代码（此实施例中设计打印温敏层厚为10um）。将前面处理过的玻璃薄片基材放置在3D打印机的打印床上，开启3D打印机并开始打印。待3D打印机打印结束后，将打印温敏层的玻璃薄片放入100℃的加热恒温通道中加热处理20min使其进一步接枝固化。处理完后，将其放入RO水中浸泡清洗48h，在50KHz频率下超声清洗5分钟，然后烘干测温敏培养表面与水在25℃的接触角为72o，并送去伽玛辐射消毒后进行3T3细胞培养测试。细胞培养条件为：5% CO2, 含10%胎牛血清的基础培养基，37℃在培养箱中培养48h后在20℃条件下放置20min，用巴氏吸管轻轻吹打11下，细胞可以成片全部脱落。
实施例 4
本实施例制备一种温敏培养表面产品，详细制备步骤如下：
按照摩尔比90:10称量N-异丙基丙烯酰胺和烯丙基三乙氧基硅烷，然后分别称量摩尔数为前两者之和的0.8%的N,N-亚甲基双丙烯酰胺、偶氮二异丁腈和安息香，最后加入为总质量分数50%的四氢呋喃作为溶剂，搅拌使其充分溶解，用300目筛网过滤待用。
将硅酸盐玻璃薄片基底材料分别在氢氧化钠水溶液和双氧水硫酸水溶液中浸泡处理，烘干。将前面配制好的温敏材料混合溶液加入到喷射型光固化3D打印机的树脂液池中，输入预先用计算机3D软件设计好并转换的打印代码（此实施例中设计打印温敏层厚为10um）。将前面处理过的玻璃薄片基材放置在3D打印机的打印床上，开启3D打印机并开始打印。待3D打印机打印结束后，将打印温敏层的玻璃薄片放入100℃的加热恒温通道中加热处理20min使其进一步接枝固化。处理完后，将其放入RO水中浸泡清洗48h，在50KHz频率下超声清洗5分钟，然后烘干测温敏培养表面与水在25℃的接触角为75o，并送去伽玛辐射消毒后进行3T3细胞培养测试。细胞培养条件为：5% CO2, 含10%胎牛血清的基础培养基，37℃在培养箱中培养48h后在20℃条件下放置20min，用巴氏吸管轻轻吹打15下，细胞可以成片全部脱落。
实施例 5
本实施例制备一种温敏培养表面产品，详细制备步骤如下：
按照摩尔比90:10称量N-异丙基丙烯酰胺和烯丙基三乙氧基硅烷，然后分别称量摩尔数为前两者之和的0.8%的N,N-亚甲基双丙烯酰胺、偶氮二异丁腈和安息香，最后加入为总质量分数50%的四氢呋喃作为溶剂，搅拌使其充分溶解，用300目筛网过滤待用。
将硅酸盐玻璃薄片基底材料分别在氢氧化钠水溶液和双氧水硫酸水溶液中浸泡处理，烘干。将前面配制好的温敏材料混合溶液加入到喷射型光固化3D打印机的树脂液池中，输入预先用计算机3D软件设计好并转换的打印代码（此实施例中设计打印温敏层厚为15um）。将前面处理过的玻璃薄片基材放置在3D打印机的打印床上，开启3D打印机并开始打印。待3D打印机打印结束后，将打印温敏层的玻璃薄片放入100℃的加热恒温通道中加热处理20min使其进一步接枝固化。处理完后，将其放入RO水中浸泡清洗48h，在50KHz频率下超声清洗5分钟，然后烘干测温敏培养表面与水在25℃的接触角为65o，并送去伽玛辐射消毒后进行3T3细胞培养测试。细胞培养条件为：5% CO2, 含10%胎牛血清的基础培养基，37℃在培养箱中培养48h后在20℃条件下放置20min，用巴氏吸管轻轻吹打10下，细胞可以成片全部脱落。
实施例 6
本实施例制备一种温敏培养表面产品，详细制备步骤如下：
按照摩尔比90:10称量N-异丙基丙烯酰胺和烯丙基三乙氧基硅烷，然后分别称量摩尔数为前两者之和的0.8%的N,N-亚甲基双丙烯酰胺、偶氮二异丁腈和安息香，最后加入为总质量分数50%的四氢呋喃作为溶剂，搅拌使其充分溶解，用300目筛网过滤待用。
将硅酸盐玻璃薄片基底材料分别在氢氧化钠水溶液和双氧水硫酸水溶液中浸泡处理，烘干。将前面配制好的温敏材料混合溶液加入到喷射型光固化3D打印机的树脂液池中，输入预先用计算机3D软件设计好并转换的打印代码（此实施例中设计打印温敏层厚为15um）。将前面处理过的玻璃薄片基材放置在3D打印机的打印床上，开启3D打印机并开始打印。待3D打印机打印结束后，将打印温敏层的玻璃薄片放入100℃的加热恒温通道中加热处理30min使其进一步接枝固化。处理完后，将其放入RO水中浸泡清洗48h，在50KHz频率下超声清洗5分钟，然后烘干测温敏培养表面与水在25℃的接触角为68o，并送去伽玛辐射消毒后进行3T3细胞培养测试。细胞培养条件为：5% CO2, 含10%胎牛血清的基础培养基，37℃在培养箱中培养48h后在20℃条件下放置20min，用巴氏吸管轻轻吹打11下，细胞可以成片全部脱落。
实施例 7
本实施例制备一种温敏培养表面产品，详细制备步骤如下：
按照摩尔比90:10称量N-异丙基丙烯酰胺和烯丙基三乙氧基硅烷，然后分别称量摩尔数为前两者之和的0.8%的N,N-亚甲基双丙烯酰胺、偶氮二异丁腈和安息香，最后加入为总质量分数50%的四氢呋喃作为溶剂，搅拌使其充分溶解，用300目筛网过滤待用。
将硅酸盐玻璃薄片基底材料分别在氢氧化钠水溶液和双氧水硫酸水溶液中浸泡处理，烘干。将前面配制好的温敏材料混合溶液加入到喷射型光固化3D打印机的树脂液池中，输入预先用计算机3D软件设计好并转换的打印代码（此实施例中设计打印温敏层厚为10um）。将前面处理过的玻璃薄片基材放置在3D打印机的打印床上，开启3D打印机并开始打印。待3D打印机打印结束后，将打印温敏层的玻璃薄片放入100℃的加热恒温通道中加热处理30min使其进一步接枝固化。处理完后，将其放入RO水中浸泡清洗48h，在50KHz频率下超声清洗10分钟，然后烘干测温敏培养表面与水在25℃的接触角为74o，并送去伽玛辐射消毒后进行3T3细胞培养测试。细胞培养条件为：5% CO2, 含10%胎牛血清的基础培养基，37℃在培养箱中培养48h后在20℃条件下放置20min，用巴氏吸管轻轻吹打13下，细胞可以成片全部脱落。
实施例 8
本实施例制备一种温敏培养表面产品，详细制备步骤如下：
按照摩尔比90:10称量N-异丙基丙烯酰胺和烯丙基-3-三乙氧基硅烷，然后分别称量摩尔数为前两者之和的0.8%的N,N-亚甲基双丙烯酰胺、偶氮二异丁腈、安息香，最后加入为总质量分数50%的四氢呋喃作为溶剂，搅拌使其充分溶解，用300目筛网过滤待用。
将塑料基底材料进行表面等离子亲水处理，在基材表面引入羟基和羧基基团，然后将前面配制好的温敏材料混合溶液加入到喷射型光固化3D打印机的树脂液池中，输入预先用计算机3D软件设计好并转换的打印代码（此实施例中设计打印温敏层厚为10um）。将前面处理过的塑料基材放置在3D打印机的打印床上，开启3D打印机并开始打印。待3D打印机打印结束后，将打印温敏层的塑料薄片放入85℃的加热恒温通道中加热处理30min使其进一步接枝固化。处理完后，将其放入RO水中浸泡清洗48h，在50KHz频率下超声清洗5分钟，然后烘干测温敏培养表面与水在25℃的接触角为70o，并送去伽玛辐射消毒后进行3T3细胞培养测试。细胞培养条件为：5% CO2, 含10%胎牛血清的基础培养基，37℃在培养箱中培养48h后在20℃条件下放置20min，用巴氏吸管轻轻吹打11下，细胞可以成片全部脱落。
由实施1到实施例8不同组合条件下制备的温敏培养表面培养的细胞在不需要添加胰酶消化的条件下，在低温下都可以很好的实现细胞的收获，证明本发明可以很高效地制备厚度均匀的，温度响应性好的温敏培养表面。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员应当理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同替换所限定，在未经创造性劳动所作的改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种应用于3D打印的温敏培养表面复合材料，其特征在于：包括温敏单体、接枝单体、交联剂、化学引发剂、光敏引发剂和溶剂，其中，温敏单体和接枝单体的摩尔比值在95:5～85:15范围内，交联剂为温敏单体和接枝单体总摩尔数量的0.5％～1％，化学引发剂为温敏单体和接枝单体总摩尔数量的0.5％～1％，光敏引发剂为温敏单体和接枝单体总摩尔数量的0.5％～2％。
2.根据权利要求1所述的温敏培养表面复合材料，其特征在于：所述溶剂质量分数为温敏培养表面复合材料的总固含量的40％～60％。
3.根据权利要求2所述的温敏培养表面复合材料，其特征在于：所述温敏单体包括N-异丙基丙烯酰胺或N-异丙基-2-甲基丙烯酰胺，或N-异丙基丙烯酰胺与N-异丙基-2-甲基丙烯酰胺的共混物，或N-异丙基丙烯酰胺与N-异丙基-2-甲基丙烯酰胺的低聚物，或由分子量小于2000的N-异丙基丙烯酰胺与N-异丙基-2-甲基丙烯酰胺的低聚物混合所得的共混物。
4.根据权利要求3所述的温敏培养表面复合材料，其特征在于：所述接枝单体包括烯丙基三乙氧基硅烷、烯丙基三甲氧基硅烷、2-甲基烯丙基三乙氧基硅烷、2-甲基烯丙基三甲氧基硅烷、丙烯酸丙酯-3-三甲氧基硅烷、丙烯酸丙酯-3-三乙氧基硅烷、甲基丙烯酸丙酯-3-三甲氧基硅烷、甲基丙烯酸丙酯-3-三乙氧基硅烷的其中一种或任意两种、或两种以上的混合物。
5.根据权利要求4所述的温敏培养表面复合材料，其特征在于：所述交联剂包括二丙烯酸-1，4-丁二醇酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、N,N-亚甲基双丙烯酰亚胺、双马来酰亚胺类物质，所述交联剂含有两个或两个以上不饱和双键。
6.根据权利要求5所述的温敏培养表面复合材料，其特征在于：所述化学引发剂包括偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈或过氧化二叔丁基、过氧化苯甲酰、过氧化二异丙苯、过硫酸钾、过硫酸铵。
7.根据权利要求6所述的温敏培养表面复合材料，其特征在于：所述光敏引发剂采用能在光照下直接分解生产自由基或阴离子、阳离子的安息香及其衍生物、或苯乙酮类衍生物、或二苯甲酮及其衍生物。
8.根据权利要求7所述的温敏培养表面复合材料，其特征在于：所述溶剂是极性的非质子溶剂，所述溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、环己酮的其中一种或多种，所述溶剂是不与羟基和羧基反应的低毒性化合物。
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