CN108285870A - 一种具有微柱阵列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微柱阵列的细胞培养板制备方法，包括：将聚合物加热至熔融状态；将熔融状态的聚合物从喷头中挤出形成聚合物液滴；控制喷头和距离喷头3mm‑10mm的导电收集板形成电压差，使喷头在导电收集板上行成聚合物纤维；控制喷头依次在所述导电收集板上各个预定位置点堆叠聚合物纤维，形成多个按阵列分布的聚合物堆柱，使导电收集板上形成设有多个聚合物微柱阵列的细胞培养基板。本发明中的制备方法，完全可以通过机器全自动化完成，制备过程和制备设备相对简单，且生产成本低，能够实现批量化的生产，扩展了具有微柱阵列的细胞培养板在生物技术方面的应用。

Description

一种具有微柱阵列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微柱阵列的细胞培养板制备方法以及一种具有微柱阵列的细胞培养板。

背景技术

微柱阵列作为一种三维及拓扑结构的细胞培养基底，已经被证实能够调节细胞的行为，能够对细胞产生“接触引导”。微柱阵列在生物反应器、微系统、细胞生物传感器及药物筛选平台构建中具有重大的意义。

微柱阵列的形成可采用的技术很多，例如，采用光刻技术将基底图案化，但是光刻过程需要洁净的空间和昂贵的设备，且加工过程采用的化学溶剂容易使生物大分子变性，使它们失去活性。还可以通过软刻蚀的方法，在基底上进行图案化，但所谓的软刻蚀仍需要通过经典的光刻蚀方法制备模具来进行微图形转移，生产步骤繁琐。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有微柱阵列的细胞培养板制备方法以及一种具有微柱阵列的细胞培养板，解决了具有微柱阵列的细胞培养板制备成本高，生产过程繁琐的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种具有微柱阵列的细胞培养板制备方法，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形成聚合物液滴；控制所述喷头和距离所述喷头3mm-10mm的导电收集板形成电压差，使所述喷头在所述导电收集板上行成聚合物纤维；控制所述喷头依次在所述导电收集板上各个预定位置点堆叠所述聚合物纤维，形成多个按阵列分布的聚合物堆柱，使所述导电收集板上形成设有多个聚合物微柱阵列的细胞培养基板。

其中，所述在距离所述喷头3mm-10mm的导电收集板上行成聚合物纤维包括：

在和喷头之间的电压为2kv～15kv的导电收集板上形成聚合物纤维。

其中，所述控制所述喷头和距离所述喷头3mm-10mm的导电收集板形成电压差；控制所述喷头依次在所述导电收集板的各个预定位置点堆积所述聚合物纤维，形成多个按阵列分布的聚合物堆柱具体包括：

移动所述导电收集板，使未形成聚合物堆柱的预定位置点位于所述喷头的正下方；

控制所述喷头和所述导电收集板之间形成电压差；

所述喷头在所述预定位置点处堆叠的聚合物纤维形成聚合物堆柱；

控制所述喷头和所述导电收集板之间的电压差为零；

重复执行所述移动所述导电收集板，使未形成聚合物堆柱的预定位置点位于所述喷头的正下方的操作，直到所有预定位置点均形成聚合物堆柱。

其中，在形成多个按阵列分布的聚合物堆柱之后，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。

其种，所述将聚合物加热至熔融状态包括：

在高于所述聚合物熔点10℃-20℃的温度下，将所述聚合物加热至熔融状态。

其中，在形成多个按阵列分布的聚合物堆柱之后，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微柱阵列的细胞培养板，采用如上任一项所述的具有微柱阵列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，呈阵列分布在所述导电收集板上的多个聚合物堆柱，其中所述聚合物堆柱高为1μm～100μm。

其中，所述聚合物堆柱为PCL堆柱、PLA堆柱或PLGA堆柱中的任意一种聚合物。

本发明所提供的具有微柱阵列的细胞培养板制备方法，通过采用用近场熔体静电纺丝技术在导电收集板上形成若干个呈阵列排布的聚合物纤维堆柱，从而获得具有由聚合物纤维堆柱组成的微柱阵列的导电收集板，也即是具有微柱阵列图案的细胞培养板。本发明中的制备方法，完全可以通过机器全自动化完成，制备过程和制备设备相对简单，且生产成本低，能够实现批量化的生产，扩展了具有微柱阵列的细胞培养板在生物技术方面的应用。

本发明的提供的一种具有微柱阵列的细胞培养板，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为本发明中实施例提供的具有微柱阵列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在导电收集板上聚合物堆柱形成过程的示意图；

图4为本发明实施例提供的形成聚合物堆柱的流程示意图。

具体实施方式

目前，能够形成具有微柱阵列的图案的细胞培养板，主要有光刻蚀技术和软刻蚀技术。对于光刻蚀技术，主要是利用紫外光将掩膜上的微柱阵列几何图案转移到基底上，具有较高的精准度。但是，光刻过程需要洁净的空间和昂贵的设备，并且对于实验者要求较高，限制了其在生物技术方面的应用。此外，光刻加工过程采用的化学溶剂容易使生物大分子变性，使它们失去活性。尽管在后续过程中会对化学溶剂进行清除，但是，也并不能够将化学溶剂完全清除干净，这对细胞的培养是非常不利的。

还有另一种形成微柱阵列的图案的方法，也就是软刻蚀法，通过使用高分子聚合物，在有图案的底模上形成印章，达到复制微米甚至纳米尺度结构的目的。软刻蚀最大的优点在于制作过程简便，更加经济、方便和有效。但所谓的软刻蚀仍需要通过经典的光刻蚀方法制备模具来进行微图形转移，生产步骤繁琐。

因此，本发明中的具有微柱阵列的细胞培养板及其制备方法，采用了一种新的形成微柱阵列的图案的方法，具体是采用近场熔体静电纺丝技术获得聚合物的微柱阵列，操作简单且生产成本低，且无需使用化学溶剂，扩展了具有微柱阵列的图案的细胞培养板在生物技术上的应用。

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为本发明中实施例提供的具有微柱阵列的细胞培养板的制备方法的流程示意图，该制备方法可以包括：

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。

进一步地，为了避免加热温度过低，导致聚合物无法形成熔融状态，或者加热温度过高，导致聚合物大分子被破坏的问题。一般而言，采用略高于聚合物熔点的温度对聚合物加热最为合适，在本发明的具体实施例中，可在高于聚合物熔点10℃-20℃的温度下，将所述聚合物加热至熔融状态，具体的可以是高于聚合物熔点温度10℃、12℃、14℃、16℃、18℃、20℃的温度。

步骤S102：将熔融状态的聚合物从喷头中挤出形成聚合物液滴。

步骤S103：控制喷头和距离喷头3mm-10mm的导电收集板形成电压差。

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所示，加热系统2对喷头1中的聚合物质加热至熔融状态，而启动进给系统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下端挤出形成聚合物液滴，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出口出形成泰勒锥，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3mm-10mm，具体地，可以是3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm。

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～15kv，具体地，可以是2kv、4kv、6kv、8kv、10kv、13kv、15kv。

步骤S104：控制喷头依次在导电收集板上各个预定位置点堆叠聚合物纤维，形成多个按阵列分布的聚合物堆柱。

在喷头1中的液态的聚合物在喷头1的喷口处形成聚合物纤维的射流，射向导电收集板5时，如果保持喷头1和导电收集板5的相对位置不动，那么聚合物纤维会在导电收集板5上喷头正下方的位置点堆积，随着聚合物纤维堆积的时间越长，该位置点处的聚合物纤维逐渐就形成柱状，也即是聚合物堆柱。

因此，可以在导电收集板5上预先选定几个位置点，各个位置点可以呈培养细胞所需要的方式排布，但是一般是设定为阵列式排布。通过收集板控制器6控制导电收集板5的位置，使导电收集板5预先选定各个位置点依次位于喷头1的正下方，使喷头1依次在各个预定的位置点产生聚合物堆柱，也即是微柱阵列，从而获得具有微柱阵列的细胞培养板。

具体地，可参考图3，图3为本发明实施例提供的在导电收集板上聚合物堆柱形成过程的示意图，图3中形成的聚合物堆柱为一种圆柱形空心堆柱。

需要说明的是，对于具有一定黏性的液体在下落过程中会产生卷绳效应。卷绳效应是指根据流体所受的重力、摩擦力和惯性力的相对大小，下落的液体会产生不同的盘绕形态叫作卷绳效应。对于黏稠的液体，分子之间的吸引力较大，铺散的过程就会慢一些。底面液体还来不及向四周流溢，新的液体柱又流了下来。这样，就会有一部分液体堆积在一起，形成一个类似圆柱一样的结构。在动态的平衡中，液体圆柱内部分子之间的引力，对抗圆柱本身的重力以及惯性。如果两者之间的力量能保持平衡，液体柱的形态就会稳定下去。

在实际操作过程中，形成圆柱形状的堆柱是要满足一定的条件的，喷头和导电收集板需要特定的电压差范围内且保持恒定，使得聚合物纤维的粗细均匀且半径也在预定范围内，同时形成聚合物纤维的射流流速也应当是匀速。如图3中显示，当聚合物纤维落在导电收集板上时，由于产生垂直于导电收集板方向的卷绳效应，使得聚合物纤维呈环形堆积，最终形成如图3中显示的圆柱形堆柱。

需要说明的是，一般情况下，该圆柱形聚合物堆柱的空心圆柱的直径非常小，几乎可以忽略不计。介于目前所使用的培养细胞的微柱阵列的图案均采用实心的，可以在形成微柱阵列后将导电收集板放入加热容器中进行加热，使空心圆柱的聚合物堆柱出现坍塌，从而填充满中间的空心部位，获得实心的聚合物堆柱。

但是，实际情况下，空心圆柱状的聚合物堆柱是在满足一定条件下才会出现的，而采用本发明的技术方案，并不需要严格按照这些条件进行操作，大部分情况下产生的是实心的聚合物堆柱。且目前也并未证明空心圆柱形聚合物堆柱会对细胞产生不利影响，因此，后续过程中对导电收集板加热，使聚合物堆柱坍塌并不是本发明的必要技术特征。

本发明中以导电收集板作为基底产生微柱阵列的图案，生产效率快，成品率高，无需执行软刻蚀中繁琐的模具复制步骤，且无需采用化学溶剂，避免了化学溶剂在细胞培养给细胞造成损伤的问题，且更有利于批量化生产，同时可以使用生物聚合物材料，生物相溶性更高。

基于上述实施例，在本发明的另一具体实施例中，对于形成聚合物堆柱的具体操作过程，也即是对于上述实施例中的步骤S103和步骤S104的具体过程，可以参考图4，图4为本发明实施例提供的形成聚合物堆柱的流程示意图，该操作过程可以包括：

步骤S401：移动导电收集板，使未形成聚合物堆柱的预定位置点位于所述喷头的正下方。

步骤S402：控制喷头和导电收集板之间形成电压差；

步骤S403：喷头在预定位置点处堆叠的聚合物纤维形成聚合物堆柱。

步骤S404：断开喷头连接的电源，使喷头和导电收集板之间的电位差为零。

步骤S405：判断是否所有的预定位置点均形成有聚合物堆柱，如果是，流程结束，如果否，则进入步骤S401。

需要说明的是，由于最终需要获得的微柱阵列的各个聚合物堆柱之间是互不连接的，因此，每次有一个聚合物堆柱达到目标高度时，可以断开喷头和导电收集板连接的电源，那么喷头处将停止产生聚合物纤维，再通过移动导电收集板，使另一个预定位置点位于喷头正下方时，再接通喷头和导电收集板的电源，开始重复产生另一个聚合物堆柱，最终达到获得多个彼此独立的聚合物堆柱。

另外，对于聚合物堆柱的高度，可以通过根据目标高度设定对应的聚合物纤维在每个预定位置点堆叠的时长来控制。

基于上述任意实施例，在本发明的另一具体实施例中，在各个预设位置点形成聚合物堆柱之后，还可以进一步地包括：

在和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，为了给细胞体外培养提供更好的培养环境，在各个预设位置点形成聚合物堆柱之后，还可以进一步地包括：

通过紫外激光对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，对由具有微柱阵列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，所述细胞培养板包括：

导电收集板，呈阵列分布在所述导电收集板上的多个聚合物堆柱，其中所述聚合物堆柱高为1μm～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微柱阵列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 (8)

1.一种具有微柱阵列的细胞培养板制备方法，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形成聚合物液滴；

控制所述喷头和距离所述喷头3mm-10mm的导电收集板形成电压差，使所述喷头在所述导电收集板上行成聚合物纤维；

控制所述喷头依次在所述导电收集板上各个预定位置点堆叠所述聚合物纤维，形成多个按阵列分布的聚合物堆柱，使所述导电收集板上形成设有多个聚合物微柱阵列的细胞培养基板。

2.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3mm-10mm的导电收集板上行成聚合物纤维包括：

在和喷头之间的电压为2kv～15kv的导电收集板上形成聚合物纤维。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述控制所述喷头和距离所述喷头3mm-10mm的导电收集板形成电压差；控制所述喷头依次在所述导电收集板的各个预定位置点堆积所述聚合物纤维，形成多个按阵列分布的聚合物堆柱具体包括以下步骤：

步骤S1：移动所述导电收集板，使未形成聚合物堆柱的预定位置点位于所述喷头的正下方；

步骤S2：控制所述喷头和所述导电收集板之间形成电压差；

步骤S3：所述喷头在所述预定位置点处堆叠的聚合物纤维形成聚合物堆柱；

步骤S4：控制所述喷头和所述导电收集板之间的电压差为零；

步骤S5：判断是否所有所述预设位置点处均形成聚合物堆柱，如果否，则进入步骤S1，如果是，则流程结束。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在形成多个按阵列分布的聚合物堆柱之后，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。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述将聚合物加热至熔融状态包括：

在高于所述聚合物熔点10℃-20℃的温度下，将所述聚合物加热至熔融状态。

6.根据权利要求1至5任一项所述的制备方法，其特征在于，在形成多个按阵列分布的聚合物堆柱之后，还包括：

通过紫外激光对所述导电收集板进行杀菌消毒。

7.一种具有微柱阵列的细胞培养板，其特征在于，采用如权利要求1至4任一项所述的具有微柱阵列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，呈阵列分布在所述导电收集板上的多个聚合物堆柱，其中所述聚合物堆柱高为1μm～100μm。

8.根据权利要求5所述的细胞培养板，其特征在于，所述聚合物堆柱为PCL堆柱、PLA堆柱或PLGA堆柱中的任意一种聚合物堆柱。