CN108118447B - 一种具有聚合物纤维的细胞培养板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有聚合物纤维的细胞培养板的制备方法，包括：将聚合物加热至熔融状态；将熔融状态的所述聚合物从喷头中挤出；在距离所述喷头1.5mm‑5.0mm的导电收集板上形成聚合物纤维；控制所述导电收集板按预设轨迹运动，在所述导电收集板上形成多条相互平行的聚合物纤维，使所述导电收集板上形成设有聚合物纤维的细胞培养基板。本发明的方法所制备得到的细胞培养板具有很好的取向排列图案，对细胞具有很好的取向排列效应。从而实现了在体外细胞培养中有效地引导细胞取向排列。本发明中还提供了一种具有聚合物纤维的细胞培养板，具有上述有益效果。

Description

一种具有聚合物纤维的细胞培养板及其制备方法

技术领域

本发明涉及细胞工程技术领域，特别是涉及一种具有聚合物纤维的细胞培养板的制备方法及一种具有聚合物纤维的细胞培养板。

背景技术

细胞的取向排列存在于人体内很多组织器官，比如韧带、肌腱、横纹肌、血管、神经组织、骨组织等。具有取向组织的细胞株与其周围的细胞外基质能够一起发挥出特殊的生物学功能。因此，取向排列的细胞在体外细胞培养领域里有不可或缺的地位。

为了获得取向排列的细胞，很多方法被发明出来，例如机械负载刺激、表面化学处理和图案化。但是获得的具有取向排列的细胞均具有各种各样的问题。目前静电纺丝可以简单快速地生产连续的纳米纤维，因此可以有效地制备取向排列图案，并且能够有效地引导细胞取向排列。但是传统的静电纺丝所制备的纳米纤维取向排列图案并不稳定，并不能用于完成培养良好的具有取向排列的细胞。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有聚合物纤维的细胞培养板的制备方法，解决了细胞培养板上取向排列图案不稳定的问题。

本发明的另一目的是提供一种具有聚合物纤维的细胞培养板。

为解决上述技术问题，本发明提供一种具有聚合物纤维的细胞培养板的制备方法，包括：

将聚合物加热至熔融状态；

将熔融状态的所述聚合物从喷头中挤出；

在距离所述喷头1.5mm-5.0mm的导电收集板上形成聚合物纤维其中，所述喷头和所述导电收集板之间存在电压差；

控制所述导电收集板按预设轨迹运动，在所述导电收集板上形成多条相互平行的聚合物纤维，使所述导电收集板上形成设有聚合物纤维的细胞培养基板。

其中，在所述导电收集板上形成多条相互平行的聚合物纤维之后，还包括：

在和所述聚合物的熔点温度相差小于5℃的温度下，，对所述聚合物纤维加热4min-6min，以便增强所述聚合物纤维在所述导电收集板上的粘附力。

其中，所述在距离所述喷头1.5mm-5mm的导电收集板上形成聚合物纤维包括：

在所述喷头和所述导电收集板的电压差为2kv～8kv的条件下，在所述导电收集板上形成聚合物。

其中，所述控制所述导电收集板按预设轨迹运动包括：

控制所述导电收集板以500mm/s-1000mm/s的速度匀速运动。

其中，所述控制所述导电收集板按预设轨迹运动，在所述导电收集板上形成多条相互平行的聚合物纤维包括：

控制所述导电收集板按照方波轨迹运动，使所述聚合物纤维在所述导电收集板上对应的形成方波分布的聚合物纤维，且按方波分布的聚合物纤维的方波波峰位于所述导电收集板的边缘部位；

通过激光切除位于所述导电收集板边缘部位的聚合物纤维。

其中，在所述导电收集板上形成多条相互平行的聚合物纤维之后，还包括：

通过紫外激光对所述导电收集板进行杀菌消毒。

本发明还提供了一种具有聚合物纤维的细胞培养板，采用如上任一项所述的μm具有聚合物纤维的细胞培养板的制备方法制备而成，所述细胞培养板包括：

导电收集板，多条平行分布在所述导电收集板上的聚合物纤维，其中，所述聚合物纤维的直径为500nm-100μm，相邻两条所述聚合物纤维之间的间距为5μm-100μm。

其中，所述聚合物纤维为PCL纤维、PLA纤维或PLGA纤维中的任意一种纤维。

本发明所提供的具有聚合物纤维的细胞培养板的制备方法，采用熔体电纺直写产生聚合物纤维，相对于现有技术中采用有机溶剂溶解高分子聚合物作为静电纺丝的材料，在形成聚合物纤维之后再去除有机溶剂，本发明中避免了有机溶剂的残留对后续细胞的培养带来损伤。另外，本发明中还采用静电纺丝近场直写技术在导电收集板上形成多条相互平行的聚合物纤维，实现了聚合物纤维的精确沉淀，使得有本发明的方法所制备得到的细胞培养板具有很好的取向排列图案。从而实现了在体外细胞培养中有效地引导细胞取向排列。

本发明中还提供了一种具有聚合物纤维的细胞培养板，具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的具有聚合物纤维的细胞培养板的制备方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所提供的静电纺丝设备的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的聚合物纤维在导电收集板上分布的示意图；

图4为细胞在细胞培养板上由非取向排列变为取向排列的示意图；

图5为本发明实施例提供的在导电收集板上按方波分布的聚合物纤维的示意图。

具体实施方式

在细胞体外培养技术中，为了获得取向排列的细胞，很多方法被发明出来，例如机械负载刺激、表面化学处理和图案化。

机械负载刺激能够模拟体内环境的机械因素，对细胞进行拉伸、压缩、剪切作用，能够有效引导细胞的取向和排列，但是很难直接应用于体外。

表面化学处理，利用传统的光刻进行图案绘制，再把整合素蛋白固定于图案上，细胞受整合素蛋白和图案的影响，最终实现取向排列，但该方法缺乏灵活性，而且可靠性取决于整合素蛋白与图案的粘附力，因此限制了这种方法的应用。

图案化能够提供特殊的三维结构，媲美体内天然细胞外基质结构，因此在设计细胞取向排列方面具有非常大的潜力。但是传统的静电纺丝在平板上收集的聚合物纤维是无序的，后来有人采用滚筒收集，使滚筒的快速旋转才能使纤维在一定程度上取向，但这种方式获得取向排列图案并不稳定，只能保证大部分纤维取向。另外，在静电纺丝过程中，大部分的生物材料都需要用有机溶剂进行溶解，例如氯仿。这些有机溶剂的残留会对细胞培养造成损害。

因此，本发明中采用近场熔体静电纺丝技术，可以在导电收集板上获得稳定有序聚合物纤维的取向图案，且完全无有机溶剂的残留，避免了对细胞培养的损伤。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，图1为本发明实施例提供的具有聚合物纤维的细胞培养板的制备方法的流程示意图，该具有聚合物纤维的细胞培养板的制备方法可以包括：

步骤S101：将聚合物加热至熔融状态。

具体地，该聚合物即为生成纤维的原始材料，比较常用的例如PCL (聚己内酯)、PLA(聚乳酸)和PLGA(聚乳酸-羟基乙酸共聚物)，这几种材料都是已经通过美国FDA(美国食品和药物管理局)认证，是生物相容性较好的聚合物材料。

步骤S102：将熔融状态的聚合物从喷头中挤出。

步骤S103：在距离喷头1.5mm-5.0mm的导电收集板上形成聚合物纤维。

对于实现静电纺丝技术的设备，可参考图2，图2为本发明实施例所提供的静电纺丝设备的结构示意图，如图2所述，加热系统2对喷头1中的聚合物质加热至熔融状态，而进给系统3对喷头中的熔融状态的聚合物产生挤压，使聚合物从喷头1下端挤出，由于直流高压电源4使喷头和导电收集板5之间产生一定的电位差，从而使得聚合物在喷头1出口处形成泰勒锥，最终形成直径在纳米级的聚合物纤维，落到导电收集板5上并冷却凝固成固态丝状的聚合物纤维。

本发明中采用近场静电纺丝技术，喷头和导电收集板之间的距离应控制在1.5mm-5.0mm，具体地，可以是1.5mm、2.0mm、2.5mm、 3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm。

进一步地，本实施例中还可以限定喷头和导电收集板之间的电压差具体为2kv～8kv，具体地，可以是2kv、3kv、4kv、5kv、6kv、7 kv、8kv。

步骤S104：控制导电收集板按预设轨迹运动，在导电收集板上形成多条相互平行的聚合物纤维。

需要说明的是，只有导电收集板5上的聚合物纤维具有一定的取向，也即是聚合物纤维是呈有序分布的，以具有这样有序分布的聚合物纤维的导电收集板5作为细胞培养基板，才能够使得具有一定的取向排列。

因为，近场静电纺丝技术具有很好的精确沉积，因此可以通过如图2中所示的收集板控制器6控制导电收集板5运动轨迹，使聚合物纤维在导电收集板5上按照一定规律分布，最终形成若干条相互平行的聚合物纤维。以具有若干条相互平行的聚合物纤维的导电收集板5 作为细胞体外培养的细胞培养板，即可获得细胞的取向排列。

具体地，可参考图3和图4，图3为本发明实施例提供的聚合物纤维在导电收集板上分布的示意图，图4为细胞在细胞培养板上有非取向排列变为取向排列的示意图，图4中的细胞培养板即为图3中具有相互平行的若干条聚合物纤维的导电收集板。

基于上述实施例，在本发明的另一具体实施例中，在步骤S104 之后，可以进一步地包括：

在和所述聚合物的熔点温度相差小于5℃的温度下，对聚合物纤维加热4min-6min，以便增强聚合物纤维在导电收集板上的粘附力。

因为在细胞培养中需要采用细胞培养液，而聚合物纤维在细胞培养液的浸泡之下，可能会出现从导电收集板上脱落的情况，因此就需要预先增大聚合物纤维在导电收集板上的附着力。

需要说明的是，增强聚合物纤维在导电收集板上的粘附力的关键在于加热温度，一般而言，应当采用接近聚合物材料熔点的温度对聚合物纤维进行加热，否则，如果加热温度过低，即使加热时间较长，仍然达不到增强聚合物纤维粘性的目的，反之，如果加热温度过高，即便仅仅加热十几秒，也会导致聚合物材料变质。

基于上述任意实施例，在本发明的另一具体实施例中，在控制导电收集板按照预定轨迹运动时，可以进一步包括：

控制导电收集板以500mm/s-1000mm/s的速度匀速运动，避免导电收集板运动过快导致聚合物纤维沉积在导电收集板上产生一定程度的拉伸，影响聚合物纤维的粗细以及在导电收集板上的平行分布，也避免导电收集板运动过慢，导致聚合物纤维在导电收集板上产生堆积，从而无法形成平行分布的聚合物纤维。

基于上述任意实施例，考虑到最终在导电收集板上形成的是若干条相互断开的聚合物纤维，那么在每形成一条聚合物纤维时，均需要中断喷头出丝，在形成下一条聚合物纤维时，再控制喷头出丝，这就需要反复多次的中断喷头出丝，因为每次重新启动喷头出丝是较为困难地，因此，在本发明的另一具体实施例中提供了另一种方案，具体地可以包括：

控制导电收集板按照方波轨迹运动，使聚合物纤维在导电收集板上对应的形成方波分布的聚合物纤维，且按方波分布的聚合物纤维的方波波峰位于导电收集板的边缘部位；通过激光切除位于导电收集板边缘部位的聚合物纤维。

具体地，可参照图5，图5为本发明实施例提供的在导电收集板上按方波分布的聚合物纤维的示意图。图中的虚线为激光切割线，将导电收集板边缘位置的聚合物纤维和中间位置的聚合物纤维进行切割断开，再将位于导电收集板边缘位置的聚合物纤维擦去，即可获得如图3所示的导电收集板。

需要说明的是，对于导电收集板的方波形轨迹，所形成的方波形聚合物纤维，在波峰位置为直线，在实际操作过程中，该部分的聚合物前卫最终需要切除掉，所以其具体形状并不需要做特定的限定，例如也可以是曲线形的波峰。但是对于直线型的波峰，产生的聚合物纤维更短，相对而言更加节省材料，且导电收集板的轨迹也更容易控制，因此控制导电收集板按照方波轨迹运动，是本发明的优选的实施例。

基于上述任意实施例，为了给细胞体外培养提供更好的培养环境，在步骤S104之后，还可以进一步地包括：

通过紫外激光对所述导电收集板进行杀菌消毒，为后续的细胞培养提供良好的培养环境。

需要说明的是，对由具有聚合物纤维的导电收集板所形成的细胞培养板进行消毒杀菌时，还可以采用酒精杀菌消毒。

本发明的实施例中还提供了一种具有聚合物纤维的细胞培养板，该细胞培养板是基于上述任意实施例所述的具有聚合物纤维的细胞培养板的制备方法制备而成，该细胞培养板具体可以包括：

导电收集板，多条平行分布在导电收集板上的聚合物纤维，其中，所述聚合物纤维的直径为500nm-100μm，相邻两条所述聚合物纤维之间的间距为5μm-100μm。

进一步地，聚合物纤维可以是PCL纤维、PLA纤维或PLGA纤维中的任意一种纤维。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本发明所提供的具有聚合物纤维的细胞培养板及其制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种具有聚合物纤维的细胞培养板的制备方法，其特征在于，包括：

将聚合物加热至熔融状态；

将熔融状态的所述聚合物从喷头中挤出；

在距离所述喷头1.5mm-5.0mm的导电收集板上形成聚合物纤维，其中，所述喷头和所述导电收集板之间存在电压差；

控制所述导电收集板按预设轨迹运动，在所述导电收集板上形成多条相互平行的聚合物纤维，使所述导电收集板上形成设有聚合物纤维的细胞培养基板；

所述控制所述导电收集板按预设轨迹运动，在所述导电收集板上形成多条相互平行的聚合物纤维包括：

控制所述导电收集板按照方波轨迹运动，使所述聚合物纤维在所述导电收集板上对应的形成方波分布的聚合物纤维，且按方波分布的聚合物纤维的方波波峰位于所述导电收集板的边缘部位；

通过激光切除位于所述导电收集板边缘部位的聚合物纤维。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述导电收集板上形成多条相互平行的聚合物纤维之后，还包括：

在和所述聚合物的熔点温度相差小于5℃的温度下，对所述聚合物纤维加热4min-6min，以便增强所述聚合物纤维在所述导电收集板上的粘附力。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在距离所述喷头1.5mm-5mm的导电收集板上形成聚合物纤维包括：

在所述喷头和所述导电收集板的电压差为2kv～8kv的条件下，在所述导电收集板上形成聚合物。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述控制所述导电收集板按预设轨迹运动包括：

控制所述导电收集板以500mm/s-1000mm/s的速度匀速运动。

5.根据权利要求1至4任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述导电收集板上形成多条相互平行的聚合物纤维之后，还包括：

通过紫外激光对所述导电收集板进行杀菌消毒。

6.一种具有聚合物纤维的细胞培养板，其特征在于，采用如权利要求1至5任一项所述的具有聚合物纤维的细胞培养板的制备方法制备而成，所述细胞培养板包括：

导电收集板，多条平行分布在所述导电收集板上的聚合物纤维，其中，所述聚合物纤维的直径为500nm-100μm，相邻两条所述聚合物纤维之间的间距为5μm-100μm。

7.根据权利要求6所述的细胞培养板，其特征在于，所述聚合物纤维为PCL纤维、PLA纤维或PLGA纤维中的任意一种纤维。

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