CN107739730A - 氧化钛纳米颗粒表面沉积改善材料抗凝血性和制备生物微图形的方法 - Google Patents

氧化钛纳米颗粒表面沉积改善材料抗凝血性和制备生物微图形的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氧化钛纳米颗粒表面沉积改善材料抗凝血性和制备生物微图形的方法。首先将氧化钛纳米颗粒分散于去离子水中，获得氧化钛纳米颗粒悬浊液，并在目标材料表面全面/图案化沉积氧化钛颗粒。然后在紫外辐照的条件下利用氧化钛颗粒向目标材料表面转移活性氧物质ROS，使目标材料表面受到全面/图案化ROS改性。被全面ROS改性的目标材料表面具有阻抗血小板粘附和激活的功能，具有优异的抗凝血性；而被图案化ROS改性的目标材料表面可制备纤维蛋白原微/细胞微图形。本发明适用于多种类型的目标材料，也适用于平整表面、粗糙表面和复杂曲面，应用范围广；并且具有成本低廉、操作简便的特点。

Description

氧化钛纳米颗粒表面沉积改善材料抗凝血性和制备生物微图 形的方法
技术领域
本发明涉及血液接触材料表面改性技术和蛋白/细胞微图形制备技术，特别涉及在材料表面调控血小板粘附和纤维蛋白原吸附行为的技术。
技术背景
对于直接与血液接触的心血管植入器械(例如：血管支架、心脏瓣膜、人工血管、起搏器等)，优良的血液相容性是首要的考虑因素。而器械植入体内后，纤维蛋白原的吸附与变性，及后继血小板的粘附和激活可能会诱导血栓形成并最终导致器械植入失败。因此，抑制纤维蛋白原在生物材料表面的吸附和激活，是改善生物材料血液相容性重要的思路之一。
氧化钛是一种n型半导体材料，在紫外辐照下具有光致亲水性和光催化性。据研究报道，锐钛矿型的氧化钛薄膜在紫外辐照后，能有效抑制纤维蛋白原吸附和变性，并进一步抑制血小板的粘附和激活。其机制可能是由于在紫外辐照时氧化钛所产生的光生ROS改变了氧化钛表面的物理化学性质，从而引起了对纤维蛋白原吸附的阻抗。在此基础上，申请者进一步发现ROS可以从氧化钛表面转移至与其接触的其他材料表面，进而阻抗血小板在这些材料表面的粘附，实现对目标材料的抗凝血性改性。据此，申请者曾申请发明一种可以实现光催化印刷的薄膜型氧化钛印章，用于改善目标材料的抗凝血性、或制备纤维蛋白原图形与细胞图形(申请号：201410163085.5)。但是该薄膜型氧化钛印章存在着难以改性粗糙表面或复杂曲面的问题，而实际应用中器械所使用材料，往往是粗糙或弯曲的，因此该改性方法的实用性受到严重的限制。因此，寻找一种一种氧化钛纳米颗粒表面沉积改善材料抗凝血性和制备生物微图形的方法，具有重要的实用意义。
氧化钛纳米钛颗粒不但具有比氧化钛薄膜更高的光催化性，而且可以在各种复杂表面如复杂曲面、粗糙表面形成良好吸附，因此在紫外辐照条件下可以实现对上述复杂表面进行光催化印刷表面改性。相对于薄膜型印章适用性更广。目前尚未见到利用氧化钛纳米颗粒进行光催化印刷处理以改善目标生物材料抗凝血性及制备蛋白/细胞微图形的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化钛纳米颗粒表面沉积改善材料抗凝血性和制备生物微图形的方法，通过该方法可以提高目标生物材料的抗凝血性，也可以在多种材料表面构建纤维蛋白原/细胞微图形。
本发明实现以上目的采用的技术方案为：
A、在目标生物材料表面沉积氧化钛纳米颗粒：
把氧化钛纳米颗粒与一定量的去离子水混合，然后超声分散，获得氧化钛纳米颗粒的悬浊液；将目标生物材料浸泡于上述制备好的氧化钛纳米颗粒悬浊液中数分钟，在目标材料上沉积氧化钛纳米颗粒；然后用去离子水漂洗、干燥；
B、对目标生物材料进行光催化印刷处理：
目标材料进行紫外辐照，使氧化钛颗粒表面产生活性氧物质(reactive oxygenspecies，ROS)并转移至目标材料表面，从而对目标材料表面进行全面/图案化ROS改性，然后超声去除目标生物材料表面的氧化钛颗粒后获得改性材料。
所述在目标材料上沉积氧化钛纳米颗粒包括全面沉积或借助软刻蚀技术微加工技术在目标材料表面图案化沉积。
进一步地，在借助软刻蚀技术微加工技术在目标材料表面图案化沉积时，完成步骤A和B后继续步骤
C、提高材料抗凝血性和制备纤维蛋白原/细胞微图形:
将经步骤B中经图案化ROS处理后的材料与纤维蛋白原溶液相接触，纤维蛋白原选择性吸附于ROS未处理区域，形成纤维蛋白原微图形；在此基础上接种细胞，细胞选择性粘附于纤维蛋白原吸附区域，形成细胞微图形。
如上所述，通过氧化钛纳米颗粒全面沉积和图案化沉积两种途径分别在目标材料表面获得全面/图案化ROS改性的材料表面，进而提升目标材料抗凝血性，或获得纤维蛋白原图形及细胞图形。
本发明步骤A中的氧化钛浓度优选0.5mg/ml-10mg/ml。步骤B中紫外光的波长优选为256-380nm，紫外光辐照时间优选为0.5-5h。
本发明的反应过程与机理主要为:氧化钛颗粒沉积在材料表面，在紫外辐照时，氧化钛表面会产生多种具有高反应活性的ROS。ROS可以在空气或固体表面迁移数十微米，从而可以转移到目标材料表面，并改变材料表面物理化学性质，如提升-OH含量、亲水性等，并最终阻止纤维蛋白原在目标材料表面的吸附。氧化钛纳米颗粒作为ROS的来源，若是在目标材料全面沉积并进行紫外辐照，目标材料将受到全面ROS处理，从而阻抗纤维蛋白原吸附与后继血小板的粘附、激活，获得优良的抗凝血性。若是在目标材料图案化沉积氧化钛纳米颗粒并进行紫外辐照，目标材料受到图案化ROS处理。该表面与纤维蛋白原溶液接触时，纤维蛋白原会选择吸附在ROS未处理区域，获得纤维蛋白原微图形，并在此基础上进一步图案化调控多种细胞(如血小板、内皮细胞、平滑肌细胞等)的分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本方法适合于多种类型的目标材料，如无机非金属(硅)、金属(钛及钛合金、不锈钢、钴合金)和有机材料(聚氨酯、聚氯乙烯)等，适用范围广。
二、优良的血液相容性是血液接触器械的首要性能要求。据申请者前期研究发现，紫外光照后的氧化钛薄膜本身可以有效的抑制血小板的粘附和激活，且该抗凝效果可以转移相邻近的材料表面。据此，申请者曾发明了一种薄膜型氧化钛印章(申请号：201410163085.5)，利用盖印章可通过光催化印刷技术将ROS转移到目标材料表面，从而改善目标材料的血液相容性。然而，上述薄膜型氧化钛印章也存在一些缺点，比如印章制备成本高昂、ROS转移效率低、且由于ROS的寿命短和转移的距离小，导致氧化钛印章不能改性粗糙表面和复杂曲面，适用范围受到严重限制。利用氧化钛纳米颗粒可以克服上述缺点。由于氧化钛纳米颗粒可以与各种粗糙表面、复杂表面形成紧密贴合，将氧化钛纳米颗粒沉积在目标材料表面并进行紫外辐照，可对各种粗糙、复杂曲面进行有效的光催化印刷处理，很好的克服了氧化钛印章应用范围受限的问题。同时由于氧化钛纳米颗粒具有比薄膜更高的光催化性，因此光催化印刷处理的效率有望得到提高。综上所述，该方法具有适用范围广、高效、方便、经济的特点。
三、本方法还可以通过软刻蚀法等微加工技术在目标材料表面制备氧化钛纳米颗粒微图形，对其进行光催化印刷处理，可获得图案化阻抗纤维蛋白原吸附的目标材料表面。该表面可用于制备细胞图形、进行基础的细胞研究、组织工程构建、制备细胞生物传感器等多个方面，应用范围广。现有技术中，涉及到调控纤维蛋白原，使其在材料表面图案化自组装的技术，大多需要对目标材料表面进行活化，并引入特定高分子物质，如PEG，透明质酸等，步骤繁琐因此现有技术难以避免的会带来试剂、人力的大量消耗。本技术相对于现有技术的优势在于，利用软刻蚀法等微加工技术使氧化钛颗粒成图案化分布在目标材料表面，在进行光催化印刷处理后，即可在目标材料表面形成图形分布的改性区域，实现对纤维蛋白原和细胞的图案化调控，制备过程简单。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
图1：本发明方法中利用氧化钛纳米颗粒进行光催化印刷处理以改善目标生物材料抗凝血性及制备蛋白/细胞微图形的示意图。
图2：实施例1中血小板在各样品表面粘附的扫描电镜照片：(图A)未处理的硅片、(图B)光催化印刷处理后的硅片。
图3：实施例2中血小板在各样品表面粘附的扫描电镜照片：(图A)未处理的不锈钢、(图B)光催化印刷处理后的不锈钢。
图4：实施例3中血小板在各样品表面粘附的扫描电镜照片：(图A)未处理的聚氨酯、(图B)光催化印刷处理后的聚氨酯。
图5：实施例4中用软刻蚀法在目标材料表面图案化分布氧化钛纳米颗粒，并进行光催化印刷后，所获得的(图A)纤维蛋白原微图形与(图B)血小板微图形。
具体实施方式
实施例一
本发明的第一种具体实施方式是，一种一种氧化钛纳米颗粒表面沉积改善材料抗凝血性和制备生物微图形的方法，其步骤为：
A、在硅片表面沉积氧化钛颗粒：
配制5mg/ml的锐钛矿型氧化钛纳米颗粒悬浊液，超声分散30min；将硅片(7×7mm)浸没在氧化钛纳米颗粒的悬浊液中1min后取出，用去离子水漂洗硅片表面；干燥，获得氧化钛纳米颗粒全面沉积的硅片表面；
B、对硅片进行光催化印刷处理：
将A所得氧化钛纳米颗粒全面沉积的硅片用波长为365nm的紫外光垂直辐照2h,然后用超声波清洗掉硅片表面的氧化钛颗粒，清洗3次，每次5min，吹干。
C、制备阻抗血小板粘附、激活表面
将表面被ROS改性的硅片与富血小板血浆溶液相接触，获得阻抗血小板粘附、激活的表面。
实施例二
本发明的第二种具体实施方式是，一种一种氧化钛纳米颗粒表面沉积改善材料抗凝血性和制备生物微图形的方法，其步骤为：
A、在不锈钢片表面沉积氧化钛颗粒：
配制1mg/ml的板钛矿型氧化钛纳米颗粒悬浊液，超声分散30min；将不锈钢片(Φ10mm)浸没在氧化钛纳米颗粒的悬浊液中5min后取出，用去离子水漂洗不锈钢片表面；吹干，获得氧化钛纳米颗粒全面沉积的不锈钢表面
B、对不锈钢进行光催化印刷处理：
将A所得氧化钛纳米颗粒全面沉积的不锈钢用波长为380nm的紫外光垂直辐照3h,然后用超声波清洗不锈钢片表面的氧化钛颗粒，清洗3次，每次5min，吹干。
C、制备阻抗血小板粘附、激活表面
将表面被ROS改性的不锈钢片与富血小板血浆溶液相接触，获得阻抗血小板粘附、激活的表面。
实施例三
本发明的第三种具体实施方式是，一种一种氧化钛纳米颗粒表面沉积改善材料抗凝血性和制备生物微图形的方法，其步骤为：
A、在聚氨酯表面沉积氧化钛颗粒：
配制7mg/ml的P25氧化钛纳米颗粒悬浊液，超声分散30min；将聚氨酯(10×10mm)浸没在氧化钛纳米颗粒的悬浊液中1min后取出，用去离子水漂聚氨酯表面；干燥，获得氧化钛纳米颗粒全面沉积的聚氨酯表面B、向聚氨酯表面转移反应活性氧物质ROS：
B、对聚氨酯进行光催化印刷处理：
将A所得氧化钛纳米颗粒全面沉积的聚氨酯用波长为380nm的紫外光垂直辐照4h,然后用超声波清洗聚氨酯表面的氧化钛颗粒，清洗3次，每次5min，吹干。
C、制备阻抗血小板粘附、激活表面
将表面被ROS改性的聚氨酯与富血小板血浆溶液相接触，获得阻抗血小板粘附、激活的表面。
实施例四
本发明的第四种具体实施方式是，一种一种氧化钛纳米颗粒表面沉积改善材料抗凝血性和制备生物微图形的方法，其步骤为：
A、在聚二甲基硅氧烷(PDMS)印章表面沉积氧化钛颗粒：
配制5mg/ml的P25氧化钛纳米颗粒悬浊液，超声分散30min；利用微加工技术制备PDMS微图形印章，然后在具有微图形一侧表面沉积氧化钛纳米颗粒，获得氧化钛颗粒微图形印章，其中有氧化钛颗粒微图形的一侧为印章正面，无氧化钛颗粒一侧为印章背面；
B、在硅片表面图案化分布的氧化钛纳米颗粒并进行光催化印刷处理：
将A制备的PDMS印章正面与硅片表面相贴合，然后用砝码垂直压在印章背面10min，使氧化钛颗粒转移到硅片表面，干燥；用波长为380nm的紫外辐照有图案分布的氧化钛颗粒的目标材料表面2h，使氧化钛微图形表面产生ROS并转移至目标目标材料表面，然后用超声波清洗掉目标材料表面的氧化钛颗粒，吹干，可获得受到图案化ROS改性硅表面。
C、制备纤维蛋白原/细胞微图形
将受到图案化ROS改性的硅表面与纤维蛋白原溶液相接触，纤维蛋白原选择吸附于未改性区域，获得纤维蛋白原图形；进一步在此表面培养细胞，即获得细胞图形。

Claims (7)

1.一种氧化钛纳米颗粒表面沉积改善材料抗凝血性和制备生物微图形的方法，具体步骤如下:
A、在目标生物材料表面沉积氧化钛纳米颗粒：
把氧化钛纳米颗粒与一定量的去离子水混合，然后超声分散，获得氧化钛纳米颗粒的悬浊液；将目标生物材料浸泡于上述制备好的氧化钛纳米颗粒悬浊液中数分钟，在目标材料上沉积氧化钛纳米颗粒；然后用去离子水漂洗、干燥；
B、对目标生物材料进行光催化印刷处理：
目标材料进行紫外辐照，使氧化钛颗粒表面产生活性氧物质(reactive oxygenspecies，ROS)并转移至目标材料表面，从而对目标材料表面进行全面/图案化ROS改性，然后超声去除目标生物材料表面的氧化钛颗粒后获得改性材料。
2.根据权利要求1所述的氧化钛纳米颗粒表面沉积改善材料抗凝血性和制备生物微图形的方法，其特征在于，所述在目标材料上沉积氧化钛纳米颗粒包括全面沉积或借助软刻蚀技术微加工技术在目标材料表面图案化沉积。
3.根据权利要求2所述的氧化钛纳米颗粒表面沉积改善材料抗凝血性和制备生物微图形的方法，其特征在于，在借助软刻蚀技术微加工技术在目标材料表面图案化沉积时，完成步骤A和B后继续步骤
C、提高材料抗凝血性和制备纤维蛋白原/细胞微图形:
将经步骤B中经图案化ROS处理后的材料与纤维蛋白原溶液相接触，纤维蛋白原选择性吸附于ROS未处理区域，形成纤维蛋白原微图形；在此基础上接种细胞，细胞选择性粘附于纤维蛋白原吸附区域，形成细胞微图形。
4.根据权利要求1所述的氧化钛纳米颗粒表面沉积改善材料抗凝血性和制备生物微图形的方法，其特征在于，步骤A中的氧化钛纳米颗粒包括金红石型氧化钛、锐钛矿型氧化钛、板钛矿型氧化钛、金红石与锐钛矿混合相P25以及不同晶型氧化钛的混合物。
5.根据权利要求1所述的氧化钛纳米颗粒表面沉积改善材料抗凝血性和制备生物微图形的方法，其特征在于，步骤A中的二氧化钛悬浊液的优选浓度是0.5mg/ml-10mg/ml。
6.根据权利要求1所述的氧化钛纳米颗粒表面沉积改善材料抗凝血性和制备生物微图形的方法，其特征在于，步骤A中的目标生物材料包括无机非金属、金属和有机材料，其表面特征包括平整表面、粗糙表面、复杂曲面。
7.根据权利要求1所述的氧化钛纳米颗粒表面沉积改善材料抗凝血性和制备生物微图形的方法，其特征在于，步骤B中紫外光的波长优选256-380nm，紫外光照射时间优选为0.5h-5h。
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