CN107823705B - 一种不同纳米柱直径的聚乳酸阵列及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不同纳米柱直径的聚乳酸阵列，是以不同规格的多孔阳极氧化铝作为模板，以聚乳酸薄膜为样本，采用压片机对置于模板表面上的样本常温压印获得的纳米柱直径、间距、深度和膜厚度不同的聚乳酸阵列；其中所述聚乳酸阵列是由浓度为0.05g/ml～5g/ml的聚乳酸二氯甲烷溶液通过蒸发形成的5μm～500μm厚度的聚乳酸薄膜构成，聚乳酸薄膜上具有纳米柱直径为50nm～500nm，间距为100nm～1μm，深度为50nm～200nm的阵列结构。实验证实聚乳酸阵列的不同纳米柱直径对干细胞的成骨分化具有不同程度的促进作用，可助于确定聚乳酸纳米阵列在骨修复应用中的最佳纳米柱直径参数。同时，本发明聚乳酸阵列制备方法简便快捷，可批量制备，具有广阔的应用前景。

Description

一种不同纳米柱直径的聚乳酸阵列及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种聚乳酸阵列及其制备方法与应用，尤其涉及一种不同纳米柱直径的聚乳酸阵列及其制备方法与其在骨修复中的应用或在异位成骨过程中的应用，属于生物材料技术领域。
背景技术
随着社会的发展，组织工程研究领域得到广泛的关注和发展，生物材料表面纳米结构的设计是其中最重要的研究内容之一。现有的用于调节干细胞命运的纳米结构很多都是基于非生物降解性的材料衬底，如硅片、PMMA和二氧化钛等，这极大限制了纳米结构材料在临床上的应用。基于此，若在生物相容且可生物降解的生物医用材料表面构建纳米结构，可以融合材料本身和纳米结构的特点，推动纳米结构生物材料的临床应用。
随着纳米结构构建技术的日益成熟和完善，目前已经实现材料表面纳米结构的可控化设计和制备。材料表面规则纳米阵列的构建可以为干细胞提供特定的几何和机械力信息，以此影响干细胞的分化。目前已经有很多有关不同的规则纳米阵列结构对干细胞分化尤其是成骨分化影响的研究，具体包括纳米阵列有序度、纳米柱间距以及纳米柱长径比等对干细胞成骨分化的影响。这些研究结果都表明，只有特定的纳米阵列结构才能最有效地促进干细胞的成骨分化。除了以上纳米结构因素，纳米柱直径也是影响干细胞成骨分化最重要的因素之一，因此纳米阵列不同纳米柱直径对干细胞成骨分化的影响研究急待开展。
聚乳酸是一种公认生物相容性高且可生物降解的生物医用材料。经过表面处理后的聚乳酸可以作为理想的细胞培养衬底。相对于纳米刻蚀技术，多孔阳极氧化铝是一种有序度相对较高且制备方便成本较低的纳米阵列模板。但经检索发现，有关不同纳米柱直径的聚乳酸阵列及其制备方法与其在骨修复中的应用或在异位成骨过程中的应用的专利未见报道。
发明内容
针对目前对组织工程生物修复材料的需求，以及不同纳米柱直径的聚乳酸阵列及其在制备方法和应用上的空白，本发明提出了一种不同纳米柱直径的聚乳酸阵列及其制备方法与其在骨修复中的应用或在异位成骨过程中的应用。
本发明所述的不同纳米柱直径的聚乳酸阵列，是以不同规格的多孔阳极氧化铝作为模板，以聚乳酸薄膜为样本，采用压片机对置于模板表面上的样本常温压印获得的纳米柱直径、间距、深度和膜厚度不同的聚乳酸阵列；其特征在于：所述聚乳酸阵列是由浓度为0.05g/ml～5g/ml的聚乳酸二氯甲烷溶液通过蒸发形成的5μm～500μm厚度的聚乳酸薄膜构成，聚乳酸薄膜上具有纳米柱直径为50nm～500nm，间距为100nm～1μm，深度为50nm～200nm的阵列结构。
上述不同纳米柱直径的聚乳酸阵列中：所述聚乳酸阵列优选是由浓度为3.5g/ml～5g/ml的聚乳酸二氯甲烷溶液通过蒸发形成的250μm～500μm厚度的聚乳酸薄膜构成，聚乳酸薄膜上具有纳米柱直径为200nm～500nm，间距为500nm～1μm，深度为100nm～200nm的阵列结构。
本发明所述不同纳米柱直径的聚乳酸阵列的制备方法，步骤是：
(1)以如下比例将0.25g～100g的聚乳酸溶解在5ml～20ml二氯甲烷中，搅拌1～12h，形成浓度为0.05g/ml～5g/ml的聚乳酸二氯甲烷溶液；
(2)将所制备的聚乳酸二氯甲烷溶液按照0.01ml/cm2～1ml/cm2均匀倾倒铺展玻璃培养皿底部，在0℃～60℃温度下，通过蒸发形成具有5μm～500μm厚度的聚乳酸薄膜；
(3)将所制备的聚乳酸薄膜与不同规格多孔阳极氧化铝模板复合，采用压片机对置于模板表面上的聚乳酸薄膜施加5MPa～30MPa压力并维持30s～120s，然后揭膜，得到具有纳米柱直径为50nm～500nm，间距为100nm～1μm，深度为50nm～200nm阵列结构的聚乳酸膜。
上述不同纳米柱直径的聚乳酸阵列的制备方法中：所述聚乳酸是左旋聚乳酸，右旋聚乳酸或者消旋聚乳酸。
上述不同纳米柱直径的聚乳酸阵列的制备方法中：所述聚乳酸二氯甲烷溶液的浓度优选3.5g/ml～5g/ml。
上述不同纳米柱直径的聚乳酸阵列的制备方法中：所述玻璃培养皿的直径优选4cm～20cm。
上述不同纳米柱直径的聚乳酸阵列的制备方法中：步骤(3)所述压力优选15MPa～30MPa。
本发明所述不同纳米柱直径的聚乳酸阵列在骨修复中的应用。
本发明利用不同规格的多孔阳极氧化铝模板，采用压片机常温压印的方法，在聚乳酸薄膜表面构建不同纳米柱直径的纳米阵列结构，以探究不同纳米柱直径对干细胞成骨分化的影响。实验证实，本发明所述不同纳米柱直径的聚乳酸阵列中，聚乳酸阵列不同直径纳米柱对干细胞的成骨分化具有不同程度的促进作用。同时本发明所述不同纳米柱直径的聚乳酸阵列有助于确定聚乳酸纳米阵列在骨修复应用中的最佳纳米柱直径参数。
本发明所述不同纳米柱直径的聚乳酸阵列在异位成骨过程中的应用。
上述的应用中：所述异位成骨是指将具有表面纳米阵列结构的聚乳酸薄膜裁剪成相应大小；将该聚乳酸薄膜接种上实验量的干细胞；经培养后再将其按照常规方法植入裸鼠背部切口，以实现异位成骨。
本发明所具有的突出效果是：
①本发明首次公开并制备出了不同纳米柱直径的聚乳酸阵列，在生物相容且可生物降解的生物医用材料表面构建纳米结构，融合了生物材料本身和纳米结构的特点，推动纳米结构生物材料的临床应用；实验证实，本发明的聚乳酸阵列异位成骨效果良好。
②本发明公开的制备方法首先将所制备的聚乳酸二氯甲烷溶液按照0.01ml/cm2～1ml/cm2均匀倾倒铺展于玻璃培养皿底部，常温下通过蒸发形成具有5μm～500μm厚度的聚乳酸薄膜。制备出的薄膜与不同规格多孔阳极氧化铝模板复合，用压片机施加5MPa～30MPa压力并维持30s～120s后，揭膜得到具有不同纳米柱直径的聚乳酸阵列。这一技术未曾有过报道。
③本发明公开的制备方法，相比于纳米刻蚀无需昂贵的仪器和复杂的程序设计，借助多孔阳极氧化铝模板，能够通过简单压印揭膜的方法批量制备不同纳米柱直径的聚乳酸阵列，并且在常温下进行，制备简便快捷。
④聚乳酸是公认的优异的生物医用材料，同时由于制备方法简便快捷，因而本发明中的不同纳米柱直径的聚乳酸阵列可以进行工业化和大批量生产，以推动生物相容且生物可降解的纳米结构材料在组织工程中的应用。
总之，本发明公开的新型不同纳米柱直径的聚乳酸阵列是一种比较理想的生物医用纳米结构材料，并且具有重要的应用前景。同时，用于制备不同纳米柱直径聚乳酸阵列的方法是聚乳酸自成膜和常温压印，简单方便，周期短，适于工业化生产，具有广阔的发展前景。
附图说明
图1为聚乳酸纳米阵列的扫描电子显微镜(SEM)照片。
其中：左图为未经模板压印的聚乳酸平片；右图为经模板压印的聚乳酸阵列。
图2为脂肪来源干细胞在聚乳酸平片和聚乳酸阵列衬底上培养，荧光染色后显示的死活细胞状态图。
其中：左图为培养在聚乳酸平片上的细胞；右图为培养在聚乳酸纳米阵列上的细胞。
图3为脂肪来源干细胞在聚乳酸平片和聚乳酸阵列上培养7天后的细胞形貌图。
其中：左图为培养在聚乳酸平片上的细胞；右图为培养在聚乳酸阵列上的细胞。
具体实施方式
实施例1：
①以如下比例将0.25g的聚乳酸溶解在5ml二氯甲烷中，搅拌1h；
②将所制备的聚乳酸二氯甲烷溶液按照0.01ml/cm2均匀倾倒铺展于直径为4cm玻璃培养皿底部，在0℃温度下，通过蒸发形成具有5μm厚度的聚乳酸薄膜；
③将所制备的薄膜置于孔直径为50nm，孔间距为100nm，孔深为1μm的多孔阳极氧化铝模板上面，用压片机施加5MPa压力并维持30s后，揭膜得到具有纳米柱直径为50nm，间距为100nm，深度为50nm的聚乳酸阵列。
④将脂肪来源干细胞在上述聚乳酸阵列上培养7天，细胞形貌与聚乳酸平片有明显区别；
⑤将上述材料置于裸鼠皮下7mm×7mm的切口模型中，经4周时间取出，发现成骨面积达到材料面积的1/3。
实施例2：
①以如下比例将50.125g的聚乳酸溶解在12.5ml二氯甲烷中，搅拌6.5h；
②将所制备的聚乳酸二氯甲烷溶液按照0.505ml/cm2均匀倾倒铺展与直径为10cm玻璃培养皿底部，在30℃温度下，通过蒸发形成具有252.5μm厚度的聚乳酸薄膜；
③将所制备的薄膜置于孔直径为275nm，孔间距为550nm，孔深为1μm的多孔阳极氧化铝模板上面，用压片机施加17.5MPa压力并维持75s后，揭膜得到具有纳米柱直径为275nm，间距为550nm，深度为125nm的聚乳酸阵列。
④将脂肪来源干细胞在上述聚乳酸阵列上培养7天，细胞形貌与聚乳酸平片有明显区别；
⑤将上述材料置于裸鼠皮下7mm×7mm的切口模型中，经4周时间取出，发现成骨面积达到材料面积的90％。
实施例3：
①以如下比例将100g的聚乳酸溶解在20ml二氯甲烷中，搅拌12h；
②将所制备的聚乳酸二氯甲烷溶液按照1ml/cm2均匀倾倒铺展与直径为20cm玻璃培养皿底部，在60℃温度下，通过蒸发形成具有500μm厚度的聚乳酸薄膜；
③将所制备的薄膜置于孔直径为500nm，孔间距为1μm，孔深为1μm的多孔阳极氧化铝模板上面，用压片机施加30MPa压力并维持120s后，揭膜得到具有纳米柱直径为500nm，间距为1μm，深度为200nm的聚乳酸阵列。
④将脂肪来源干细胞在上述聚乳酸阵列上培养7天，细胞形貌与聚乳酸平片有明显区别；
⑤将上述材料置于裸鼠皮下7mm×7mm的切口模型中，经4周时间取出，发现成骨面积达到材料面积的2/3。

Claims (9)

1.一种不同纳米柱直径的聚乳酸阵列，是以不同规格的多孔阳极氧化铝作为模板，以聚乳酸薄膜为样本，采用压片机对置于模板表面上的样本常温压印获得的纳米柱直径、间距、深度和膜厚度不同的聚乳酸阵列；其特征在于：所述聚乳酸阵列是由浓度为0.05g/mL～5g/mL 的聚乳酸二氯甲烷溶液通过蒸发形成的5μm～500μm厚度的聚乳酸薄膜构成，聚乳酸薄膜上具有纳米柱直径为50nm～500nm，间距为100nm～1μm，深度为50nm～200nm的阵列结构；
所述不同纳米柱直径的聚乳酸阵列的制备方法，步骤是：
(1)以如下比例将0.25g～100g的聚乳酸溶解在5mL ～20mL 二氯甲烷中，搅拌1～12h，形成浓度为0.05g/mL ～5g/mL 的聚乳酸二氯甲烷溶液；
(2)将所制备的聚乳酸二氯甲烷溶液按照0.01mL /cm2～1mL /cm2均匀倾倒铺展玻璃培养皿底部，在0℃～60℃温度下，通过蒸发形成具有5μm～500μm厚度的聚乳酸薄膜；
(3)将所制备的聚乳酸薄膜与不同规格多孔阳极氧化铝模板复合，采用压片机对置于模板表面上的聚乳酸薄膜施加15MPa～30MPa压力并维持30s～120s，然后揭膜，得到具有纳米柱直径为50nm～500nm，间距为100nm～1μm，深度为50nm～200nm阵列结构的聚乳酸膜。
2.根据权利要求1所述不同纳米柱直径的聚乳酸阵列，其特征在于：所述聚乳酸阵列是由浓度为3.5g/mL ～5g/mL 的聚乳酸二氯甲烷溶液通过蒸发形成的250μm～500μm厚度的聚乳酸薄膜构成，聚乳酸薄膜上具有纳米柱直径为200nm～500nm，间距为500nm～1μm，深度为100nm～200nm的阵列结构。
3.权利要求1所述不同纳米柱直径的聚乳酸阵列的制备方法，步骤是：
(1)以如下比例将0.25g～100g的聚乳酸溶解在5mL ～20mL 二氯甲烷中，搅拌1～12h，形成浓度为0.05g/mL ～5g/mL 的聚乳酸二氯甲烷溶液；
(2)将所制备的聚乳酸二氯甲烷溶液按照0.01mL /cm2～1ml/cm2均匀倾倒铺展玻璃培养皿底部，在0℃～60℃温度下，通过蒸发形成具有5μm～500μm厚度的聚乳酸薄膜；
(3)将所制备的聚乳酸薄膜与不同规格多孔阳极氧化铝模板复合，采用压片机对置于模板表面上的聚乳酸薄膜施加5MPa～30MPa压力并维持30s～120s，然后揭膜，得到具有纳米柱直径为50nm～500nm，间距为100nm～1μm，深度为50nm～200nm阵列结构的聚乳酸膜。
4.根据权利要求3所述不同纳米柱直径的聚乳酸阵列的制备方法，其特征在于：所述聚乳酸是左旋聚乳酸，右旋聚乳酸或者消旋聚乳酸。
5.根据权利要求3所述不同纳米柱直径的聚乳酸阵列的制备方法，其特征在于：所述聚乳酸二氯甲烷溶液的浓度为3.5g/mL ～5g/mL 。
6.根据权利要求3所述不同纳米柱直径的聚乳酸阵列的制备方法，其特征在于：所述玻璃培养皿的直径为4cm～20cm。
7.权利要求1所述不同纳米柱直径的聚乳酸阵列在骨修复中的应用。
8.权利要求1所述不同纳米柱直径的聚乳酸阵列在异位成骨过程中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述异位成骨是指将具有表面纳米阵列结构的聚乳酸薄膜裁剪成相应大小；将该聚乳酸薄膜接种上实验量的干细胞；经培养后再将其按照常规方法植入裸鼠背部切口，以实现异位成骨。
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