CN109384952B - 一种图案化的细菌纤维素膜及其制备方法与应用 - Google Patents

一种图案化的细菌纤维素膜及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种图案化的细菌纤维素膜及其制备方法与应用，属于高分子材料和生物制造的技术领域。制备方法为将聚二甲基硅氧烷的预聚物A与固化剂B混合均匀后加入有机溶剂，然后逐滴滴加水，同时进行搅拌，然后静置使其初步固化；并进行加热固化，去除有机溶剂和水，得到水乳化聚二甲基硅氧烷功能海绵；将图案化的PDMS海绵模型漂浮在能产生细菌纤维素的培养液的表面，经过发酵培养12‑48小时即可得到图案化的细菌纤维膜。本发明所述的利用PDMS海绵制作图案化细菌纤维素膜的方法，具有制备工艺简单，所需发酵时间短，图案保真度高，且图案高度可达10μm‑2mm的特点，并兼具良好的生物相容性，是理想的环境友好的生物医学材料。

Description

一种图案化的细菌纤维素膜及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于高分子材料和生物制造的技术领域，特别涉及一种图案化细菌纤维素膜及其制备方法与应用。
背景技术
细菌纤维素是醋酸菌属、土壤杆菌属、根瘤菌属和八叠球菌属等产生的一种纳米纤维素，自然界中含量丰富且可生物降解的天然高分子。由于其耐用性以及在体内低的炎症反应被越来越多地用于医用材料，例如在伤口治疗、血管移植等方面已取得突破进展，并已应用于临床。此外，在造纸、食品、屏幕和高级音响制品中均已实现规模化生产。
表面结构化的生物材料能够有效地对细胞进行接触引导，被应用于分化组织的再生和重建。目前已经有很多关于制作表面图案化的细菌纤维素的报道，这些研究主要是利用透气性的PDMS为图案模型，经过发酵培养细菌而生成图案化的纤维素。然而固体PDMS虽然具有透气性，但其气体交换非常有限，从而导致制作的图案高度较低并且图案保真度不高。目前的方法制作图案的高度最高约为20μm，且大多都需要3-7天的发酵培养时间。因此本发明提供了一种细菌纤维素有序组装的新工艺，利用通气性良好的，且表面能形成图案的PDMS海绵来制作模型，能够对微生物在生物合成工艺中进行有序调控，同时能够及时地进行气体交换，满足细菌的快速生长，从而快速、高效地制作高精度、高厚度的图案化细菌纤维素薄膜。
发明内容
本发明解决了现有技术中图案化纤维素膜的图案高度有限、保真度不高以及培养时间过长等技术问题。
按照本发明的第一方面，提供了一种图案化的水乳化聚二甲基硅氧烷功能海绵的制备方法，含有以下步骤：
(1)将聚二甲基硅氧烷的预聚物A与固化剂B混合均匀，得到溶液C；
(2)向步骤(1)所得的溶液C加入有机溶剂，充分混匀后得到溶液D；
(3)向步骤(2)所得的溶液D逐滴滴加水，同时进行搅拌，形成水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物；
(4)将步骤(3)得到的水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物倾倒在具有图案的阳模表面；
(5)将步骤(4)中表面倾倒有水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物的具有图案的阳模先静置固化，然后加热固化；待水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物固化后，将固化的水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物从具有图案的阳模上剥离下来；再去除所述固化的水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物中的有机溶剂，然后烘干水分，即得到图案化的水乳化聚二甲基硅氧烷功能海绵。
优选地，以步骤(1)所述溶液C、步骤(2)所述有机溶剂以及步骤(3)所述水的总质量为100％计，步骤(1)所述溶液C的质量占6％-19％；步骤(2)所述有机溶剂的质量占3.8％-13％；步骤(3)所述水的质量占74％-83％。
优选地，步骤(2)所述的有机溶剂为液体石蜡油或硅油；步骤(1)所述溶液C、步骤(2)所述的液体石蜡油和步骤(3)所述的水的质量比为(4-6)：(7-8)：(34-36)。
优选地，步骤(5)所述静置固化为在20℃-25℃条件下，静置4h-10h；步骤(5)所述加热固化的温度为60℃-75℃，时间为4h-6h。
优选地，步骤(4)所述具有图案的阳模为SU-8阳模或毛细管通道阳模；步骤(4)所述倾倒在具有图案的阳模表面上的水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物的厚度为2mm-3mm。
优选地，步骤(4)所述具有图案的阳模上的图案为长条形、正方形或圆形。
按照本发明的另一方面，提供了所述方法制备得到的图案化的水乳化聚二甲基硅氧烷功能海绵。
按照本发明的另一方面，提供了一种图案化的细菌纤维素膜的制备方法，该制备方法为将所述的图案化的水乳化聚二甲基硅氧烷功能海绵漂浮在能产生细菌纤维素的培养液中，待所述培养液发酵培养12h-48h，撕下图案化的水乳化聚二甲基硅氧烷功能海绵上的细菌纤维素膜，即得到图案化的细菌纤维素膜。
按照本发明的另一方面，提供了所述方法制备得到的图案化的细菌纤维素膜，所述图案化的细菌纤维素膜上的图案凸出细菌纤维素膜表面的高度为10μm-2mm。
按照本发明的另一方面，提供了所述图案化的细菌纤维素膜应用于诱导细胞分化、组织工程支架、伤口愈合材料或血管移植材料。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
(1)本发明制备的图案化的水乳化聚二甲基硅氧烷功能海绵具备较高的透气性，该海绵的特征在于具有较小的密度，能够漂浮在培养表面与外界相连通，由于多孔性能够及时的进行气体交换。运用该图案化的水乳化聚二甲基硅氧烷功能海绵置于培养液的气液界面，使产生细菌纤维素的细菌生长更快，缩短了发酵时间，得到的细菌纤维素膜具有图案保真度高、图案厚度高以及制作面积大的特点。
(2)本发明公开了一种快速制备图案化纤维素膜的方法，所述的制备方法简单且高效，制备得到的图案化纤维素具有图案清晰、高度可控、精度高等特点，可用于细胞分化培养、器官移植材料和创伤治疗，是具有多种用途的新型生物材料。本发明所述的图案化细菌纤维素的制备工艺简单、高效且环境友好，可大规模应用于生产。
(3)本发明公开了一种快速制作图案化细菌纤维素膜的方法。通过利用液体石蜡油乳化方法制作PDMS海绵技术与软光刻技术的有机结合，在保证图案很好转印的同时，极大地提高了图案模型的透气性，非常适合细菌纤维素在气液面生成时对气体交换的需要，从而大大缩短了细菌发酵所需的时间，对进一步拓展图案化细菌纤维素的应用领域提供了新的路径。
附图说明
图1为本发明培养系统的示意图；1-PDMS海绵模型，2-葡糖糖醋酸杆菌，3-培养液营养成分。
图2为PDMS海绵模型图案的示意图。
图3为实施例3中通过PDMS海绵模型制备得到的微米级长条形图案化纤维素膜的纤维成像图。
图4为实施例4中通过PDMS海绵模型制备的到的微米级正方形图案化纤维素膜的纤维成像图。
图5为实施例5中通过PDMS海绵模型制备的到的毫米级图案化纤维素膜的实物图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1：图案化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)功能海绵的制备方法
(1)图案化阳模的制备：利用匀胶机在烘干后的硅片上均匀甩上一层SU-8光刻胶(GM1070)，匀胶机转数设定为：开始转速为500r/min，时间为40S；第二步转速为2300r/min，时间为60S。由此在硅片上得到厚度约为25μm的SU-8涂层。该硅片经过前烘，曝光(紫外)，后烘，显影剂显影，坚膜，即可得到SU-8阳模。阳模图案可以为正方形、长条形、圆形等。
(2)制备PDMS海绵模型：将PDMS(Sylgard 184)预聚体和固化剂(Sylgard 184)按质量比10∶1进行混合并搅拌均匀。取PDMS预聚液和固化剂的混合物、水、液体石蜡油三者按质量比5∶35∶7.5进行充分混合搅拌进行乳化。乳化好的水-PDMS乳化液，倾倒于阳模表面(厚度优选为2-3mm)，先静置固化，再放入65℃的烘箱中加热固化2小时，等PDMS混合物固化后，将其与阳模分离，经酒精清洗除去液体石蜡油，然后在烘箱里烘干除去残留的水分，即得到微米级图案化的PDMS海绵模型，其图案如图2所示，其中条纹宽度L1为30μm，条纹间隔L2为40μm。
实施例2：图案化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)功能海绵的制备方法
(1)毫米级通道阳模的制备：将直径为2mm的毛细管截成合适的长度，均匀排列并固定在在二级抛光的硅片上，作为毫米级通道的阳模。
(2)制备PDMS海绵模型：将PDMS(Sylgard 184)预聚体和固化剂(Sylgard 184)按质量比10∶1进行混合并搅拌均匀。取PDMS预聚液和固化剂的混合物、水、液体石蜡油三者按质量比5∶35∶7.5进行充分混合搅拌乳化。乳化好的混合液，倾倒于阳模表面(厚度为2-3mm)，先静置固化，再放入65℃的烘箱中加热固化2小时，等PDMS混合物固化后，将其与阳模分离，后经酒精清洗除去液体石蜡油，放入烘箱烘干除去残留水分，即得到毫米级图案化PDMS海绵模型。所述的图案化的PDMS功能海绵，能够反复多次循环利用。
实施例3：图案化的细菌纤维素膜的制备方法
(1)将实施例1得到的微米级图案化的PDMS海绵模型进行灭菌，放在含有葡萄糖醋酸杆菌培养的表面(优选培养基与菌种体积比为10∶1进行接种)，如图1所示。
(2)将该培养瓶放在无菌培养箱中培养12-48h(30℃)，撕下PDMS海绵模型，即可得到图案化的纤维素膜，如图3所示，制备得到的微米级长条形图案化纤维素膜。
实施例4
(1)将实施例1得到的微米级图案化的PDMS海绵模型进行灭菌，放在含有葡萄糖醋酸杆菌培养的表面(优选培养基与菌种体积比为10∶1进行接种)，如图1所示。
(2)将该培养瓶放在无菌培养箱中培养12-48h(30℃)，撕下PDMS海绵模型，即可得到图案化的纤维素膜，如图4所示，制备得到的微米级正方形图案化纤维素膜。
实施例5
(1)将实施例2得到的毫米级图案化PDMS海绵模型进行灭菌，放在含有葡萄糖醋酸杆菌培养的表面(优选培养基与菌种体积比为10∶1进行接种)，如图1所示。
(2)将该培养瓶放在无菌培养箱中培养12-48h(30℃)，撕下PDMS海绵模型，即可得到图案化的纤维素膜，如图5所示，制备得到的毫米级长条形的纤维素膜。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种图案化的水乳化聚二甲基硅氧烷功能海绵的制备方法，其特征在于，含有以下步骤：
(1)将聚二甲基硅氧烷的预聚物A与固化剂B混合均匀，得到溶液C；
(2)向步骤(1)所得的溶液C加入有机溶剂，充分混匀后得到溶液D；所述有机溶剂为液体石蜡油或硅油；
(3)向步骤(2)所得的溶液D逐滴滴加水，同时进行搅拌，形成水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物；
(4)将步骤(3)得到的水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物倾倒在具有图案的阳模表面；
(5)将步骤(4)中表面倾倒有水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物的具有图案的阳模先静置固化，然后加热固化；待水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物固化后，将固化的水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物从具有图案的阳模上剥离下来；再去除所述固化的水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物中的有机溶剂，然后烘干水分，即得到图案化的水乳化聚二甲基硅氧烷功能海绵；其中，所述静置固化为在20℃-25℃条件下，静置4h-10h；所述加热固化的温度为60℃-75℃，时间为4h-6h。
2.如权利要求1所述的图案化的水乳化聚二甲基硅氧烷功能海绵的制备方法，其特征在于，以步骤(1)所述溶液C、步骤(2)所述有机溶剂以及步骤(3)所述水的总质量为100％计，步骤(1)所述溶液C的质量占6％-19％；步骤(2)所述有机溶剂的质量占3.8％-13％；步骤(3)所述水的质量占74％-83％。
3.如权利要求1所述的图案化的水乳化聚二甲基硅氧烷功能海绵的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的有机溶剂为液体石蜡油；步骤(1)所述溶液C、步骤(2)所述的液体石蜡油和步骤(3)所述的水的质量比为(4-6)：(7-8)：(34-36)。
4.如权利要求1所述的图案化的水乳化聚二甲基硅氧烷功能海绵的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述具有图案的阳模为SU-8阳模或毛细管通道阳模；步骤(4)所述倾倒在具有图案的阳模表面上的水乳化聚二甲基硅氧烷与有机溶剂的混合物的厚度为2mm-3mm。
5.如权利要求1所述的图案化的水乳化聚二甲基硅氧烷功能海绵的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述具有图案的阳模上的图案为长条形、正方形或圆形。
6.由权利要求1-5任一所述方法制备得到的图案化的水乳化聚二甲基硅氧烷功能海绵。
7.一种图案化的细菌纤维素膜的制备方法，其特征在于，该制备方法为将权利要求6所述的图案化的水乳化聚二甲基硅氧烷功能海绵漂浮在能产生细菌纤维素的培养液中，待所述培养液发酵培养12h-48h，撕下图案化的水乳化聚二甲基硅氧烷功能海绵上的细菌纤维素膜，即得到图案化的细菌纤维素膜。
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