CN109853219B - 改性复合纤维膜及其层层自组装方法和应用 - Google Patents
改性复合纤维膜及其层层自组装方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种改性复合纤维膜及其层层自组装方法和应用，该改性复合纤维膜层层自组装方法，包括如下步骤：制备微/纳高分子纤维膜；对所述微/纳高分子纤维膜的表面进行等离子体改性，得底板；采用浸泡层层自组装技术将带相反电荷的聚电解质A和聚电解质B交替组装到所述底板上，直至达到所需的双层数，即得。与传统层层自组装方法相比，该改性复合纤维膜层层自组装方法操作简便，效率高，可以使原本疏水且不宜用于生物医药、环境保护等领域的材料具备良好的生物相容性、促细胞繁殖等性能，显著扩大底板的选择范围，同时扩当其应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域，尤其涉及一种改性复合纤维膜及其层层自组装方法和应用。
背景技术
层层自组装是一种简单有效、灵活多样、可重复的用于修饰材料表面、制备高度有序的多层薄膜的技术。此外，层层自组装能实现纳米级膜厚度调控且底板和成膜物质选择广泛而被应用于催化、探测和生物材料等领域，逐步发展成为一种较成熟的多层膜制备技术。层层自组装技术根据自组装的方式不同可以分为浸泡法、旋涂法、喷雾法等，其中被探究、应用的最为广泛的是浸泡法。浸泡层层自组装主要通过静电力、氢键等驱动亲水底板与成膜物质及成膜物质之间构建多层功能化纤维膜。
然而，对于许多具有机械性能好、比表面积大等优点的纤维膜，由于没有足够的表面电荷和亲水表面而不能作为浸泡层层自组装的底板，使得层层自组装的底板选择以及应用受到了一定的局限。为此，如何通过简便有效的改性方法增加纤维膜的表面电荷和润湿性是解决层层自组装底板选择受限的关键所在。然而常见的表面改性方法有硫化、辉光放电、紫外线辐照等，其局限在于效率低、时间长、对环境污染严重等。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种能够增加纤维膜的表面电荷和润湿性、操作方便、且使底板选择范围广的改性复合纤维膜及其层层自组装方法和应用。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种改性复合纤维膜层层自组装方法，包括如下步骤：
制备疏水微/纳高分子纤维膜；
对所述疏水微/纳高分子纤维膜的表面进行等离子体改性，得底板；
采用浸泡层层自组装技术将带相反电荷的聚电解质A和聚电解质B交替组装到所述底板上，直至达到所需的双层数，即得。
在其中一个实施例中，所述疏水微/纳高分子纤维膜基板的材料选自胶原蛋白、丝素蛋白、醋酸纤维素、壳聚糖及其衍生物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚己内酯共聚物中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述疏水微/纳高分子纤维膜由静电纺丝法、干法纺丝法、湿法纺丝法、相分离法、离心纺丝法、复合纺丝法、分子喷丝板纺丝法、复合纺丝法中的任一种制备而成。
在其中一个实施例中，所述疏水微/纳高分子纤维膜由静电纺丝法制备而成，工艺参数为：静电纺丝电压为16-22kV，溶液流速为0.7mL/h-1.2mL/h，接收距离为15cm，温度为15℃-30℃，相对湿度为35％-40％。
在其中一个实施例中，所述等离子体改性的条件参数为：工作气体选自氧气、氮气、氦气和氩气中的一种或多种，等离子处理功率为70W-180W，处理时间为30s～110s，背底真空度为30Pa，气体流速为55cm3/min-65 cm3/min。
在其中一个实施例中，所述底板的zeta电位的绝对值不小于10mV。
在其中一个实施例中，所述聚电解质A或所述聚电解质B选自可以分散或者溶解在水或有机溶剂中的合成高分子材料、天然高分子材料以及微/ 纳米颗粒。
在其中一个实施例中，所述聚电解质A选自壳聚糖和溶菌酶中的至少一种；所述聚电解质B选自牛血清白蛋白、丝素蛋白和胶原蛋白中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述采用浸泡层层自组装技术将带相反电荷的聚电解质A和聚电解质B交替组装到所述底板上的步骤中，还包括采用清洗液清洗未组装到所述底板上的聚电解质A和聚电解质B的步骤。
由上述任一项所述的改性复合纤维膜层层自组装方法制备获得的改性复合纤维膜。
上述所述的改性复合纤维膜在细胞培养中的应用。
本发明的有益效果是：
与传统层层自组装方法相比，本发明的改性复合纤维膜层层自组装方法通过预先对疏水微/纳高分子纤维膜的表面进行等离子改性(通过不同的改性气体使材料表面带不同的电荷)，在疏水微/纳高分子纤维膜(不同于常规固体基质)的表面引入大量自由基的同时使其形貌不会受到影响，同时使其表面的润湿性增强，从而可以实现在改性后的微/纳高分子纤维膜(底板)上层层自组装具有相反电荷的聚电解质形成具有促进细胞繁殖能力等性能的改性复合纤维膜，可以使原本疏水且不宜用于生物医药、环境保护等领域的材料具备良好的生物相容性，显著扩大高分子纤维膜基板的选择范围，同时扩当其应用范围。本发明的改性复合纤维膜层层自组装方法操作方便，在国内外都尚属首次将等离子改性技术用于增强纤维膜表面电荷和亲水性以辅助其进行层层组装。
等离子改性是一种操作简单、效率高、环境友好型的改性方法。根据等离子改性所用的气体不同，可使疏水微/纳高分子纤维膜的表面所负载的自由基种类不同而带不同电性的电荷，同时可增强其表面的润湿性，从而便于进行后续聚电解质的层层组装。例如，使用氧气等离子改性时，疏水微/纳高分子纤维膜基板的表面负载大量含氧自由基，如羟基、羧基，使其表面负电荷增加；反之，使用氮气进行改性时，疏水微/纳高分子纤维膜基板的表面负载含氮自由基，如氨基等，使其膜表面正电荷增加。因此，采用预先等离子改性制备底板，能扩大层层自组装方法中底板的选择范围，从而进一步扩大层层自组装的应用范围，例如使原本疏水且不宜用于生物医药、环境保护等领域的材料可以用于细胞培养。
附图说明
图1中a是聚苯乙烯微/纳米纤维膜的扫描电镜图，b是改性后的聚苯乙烯微/纳米纤维膜的扫描电镜图。
图2中a是双层数为5的聚苯乙烯-壳聚糖-牛血清蛋白改性复合微/纳米纤维膜的扫描电镜图， b是双层数为5.5的聚苯乙烯-壳聚糖-牛血清蛋白改性复合微/纳米纤维膜的扫描电镜图。
图3是实施例1制备的聚苯乙烯微/纳米纤维膜和改性聚苯乙烯微/纳米纤维膜的接触角及其光学照片，其中，a指聚苯乙烯微/纳米纤维膜，b指经氧气等离子改性70s后的聚苯乙烯微/纳米纤维膜，c指双层数为5的壳聚糖/牛血清蛋白/聚苯乙烯改性复合微/纳米纤维膜，d指双层数为5.5的壳聚糖/牛血清蛋白/聚苯乙烯改性复合微/纳米纤维膜。
图4是实施例1制备的聚苯乙烯微/纳米纤维膜、改性聚苯乙烯微/纳米纤维膜以及层层自组装溶液的zeta电位图。其中，a指聚苯乙烯微/纳米纤维膜，b指牛血清蛋白溶液，c指经氧气等离子改性70s后的聚苯乙烯微/纳米纤维膜，d指双层数为5的壳聚糖/牛血清蛋白/聚苯乙烯改性复合微/纳米纤维膜，e指双层数为5.5的壳聚糖/牛血清蛋白/聚苯乙烯改性复合微/纳米纤维膜，f指壳聚糖溶液。
图5是采用实施例1制备的复合聚苯乙烯/壳聚糖/牛血清蛋白改性微/纳米纤维膜培养细胞后的电镜图和荧光图。其中，图5-a是复合聚苯乙烯/壳聚糖/牛血清蛋白微/纳米纤维膜培养细胞后经染色得出的细胞繁殖数据。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1
本实施例提供一种改性复合纤维膜层层自组装方法，包括如下步骤：
S1，通过静电纺丝技术制备聚苯乙烯微/纳米纤维膜(PS)。
具体地，将聚苯乙烯溶解于四氢呋喃和N,N-二甲基甲酰胺(质量比1:1) 的混合溶液中，得到10wt％的聚苯乙烯溶液。然后通过静电纺丝技术制备聚苯乙烯微/纳米纤维膜(PS)，工艺参数为：静电纺丝电压为20kV，溶液流速为1mL/h，接收距离为15cm，温度为25℃，相对湿度为40％。随后将所得的聚苯乙烯微/纳米纤维膜置于60℃下真空干燥，使剩余溶剂充分挥发。
S2，对聚苯乙烯微/纳米纤维膜进行等离子改性，得表面带大量负电荷的底板(PSO)。
具体地，将步骤S1制备获得的聚苯乙烯微/纳米纤维膜置于低温等离子仪反应腔内的玻璃板上，打开氧气气阀，使其气压维持在0.2MPa左右。设置氧气等离子反应参数：背底真空度为30Pa，气体流速为60cm3/min，功率为100W，处理时间为70s。
测量氧气等离子改性后的聚苯乙烯微/纳米纤维膜的zeta电位和润湿性。
S3，采用浸泡层层自组装技术将带相反电荷的壳聚糖(CS)和牛血清白蛋白(BSA)交替组装到底板(PSO)上，直至达到所需的双层数。
具体地，将壳聚糖粉末加入到0.5％(v/v)的乙酸溶液中，配制成1mg/mL 壳聚糖溶液，并调pH至5。将牛血清蛋白粉末加入到去离子水中，配制成1 mg/mL牛血清蛋白溶液，并调pH至5.5。
将步骤S2改性的底板(带大量负电的亲水聚苯乙烯微/纳米纤维膜)浸泡到带正电的壳聚糖溶液中，使底板与溶液充分接触，20分钟后将底板取出，采用0.1M的氯化钠溶液清洗三次，去除膜表面未组装成功的壳聚糖，形成带第一层壳聚糖的底板。再将带第一层壳聚糖的底板浸泡到带负电的牛血清蛋白溶液中，使膜与溶液充分接触，20分钟后将膜取出，采用0.1M的氯化钠溶液清洗三次，去除膜表面未组装成功的牛血清白蛋白，形成带第一层牛血清白蛋白的底板，至此成功组装一个双层。依次重复上述形成带第一层壳聚糖的底板和形成带第一层牛血清白蛋白的底板的步骤，直至双层数达到 5或5.5，干燥，即得聚苯乙烯-壳聚糖-牛血清蛋白改性复合微/纳米纤维膜 PSO-(CS/BSA)。
另外，在本实施例中，所得聚苯乙烯微/纳米纤维膜及其经等离子改性后的形貌见图1，其中，图1-a是聚苯乙烯微/纳米纤维膜扫描电镜图，图1-b 是经氧气等离子改性70s后的聚苯乙烯微/纳米纤维膜扫描电镜图。由图1-a 和图1-b 的对比可以看出，在相同的扫描倍数下，聚苯乙烯微/纳米纤维较改性后的聚苯乙烯微/纳米纤维略粗。
聚苯乙烯微/纳米纤维膜改性后层层自组装得到的纤维形貌图见图2，其中图2-a和图2-b分别是双层数为5和5.5的壳聚糖/牛血清蛋白/聚苯乙烯微 /纳米纤维膜。由图2可以看出，经层层自组装制备的聚苯乙烯-壳聚糖-牛血清蛋白改性复合微/纳米纤维膜表面较聚苯乙烯微/纳米纤维膜表面更光滑。
苯乙烯微/纳米纤维膜和改性聚苯乙烯微/纳米纤维膜的接触角及其光学照片见图3。由图3可以看出，经等离子改性的70s后的聚苯乙烯微/纳米纤维膜和壳聚糖/牛血清蛋白/聚苯乙烯改性复合微/纳米纤维膜在极短的时间内，水接触角变为0，说明改性后的纳米纤维膜具有极好的亲水性。
由图4的zeta电位图可以看出，经氧气等离子改性70s后的聚苯乙烯微 /纳米纤维膜表面带的负电荷量较聚苯乙烯微/纳米纤维膜多。双层为5的壳聚糖/牛血清蛋白/聚苯乙烯改性复合微/纳米纤维膜PSO-(CS/BSA)5表面带负电，而双层为5.5的壳聚糖/牛血清蛋白/聚苯乙烯改性复合微/纳米纤维膜 PSO-(CS/BSA)5.5表面带正电。这是由于双层为5的改性复合微/纳米纤维膜最外层是牛血清蛋白，而双层为5.5的则是壳聚糖。
将实施例1得到的复合聚苯乙烯/壳聚糖/牛血清蛋白微/纳米纤维膜用于小鼠关节软骨细胞培养。培养过细胞的复合聚苯乙烯/壳聚糖/牛血清蛋白微/ 纳米纤维膜形貌图和荧光图见图5。细胞繁殖数据见图5-a，结果表明经过等离子改性和层层自组装制备的复合聚苯乙烯/壳聚糖/牛血清蛋白微/纳米纤维膜对细胞生长有利，反之，没有改性或只通过层层自组装的膜并不会促进细胞繁殖。
实施例2
本实施例提供一种改性复合纤维膜层层自组装方法，包括如下步骤：
S1，通过静电纺丝技术制备聚甲基丙烯酸甲酯微/纳米纤维膜。
具体地，将聚丙烯腈溶解于四氢呋喃溶液中，得到10wt％的聚丙烯腈溶液。然后通过静电纺丝技术制备聚甲基丙烯酸甲酯微/纳米纤维膜，工艺参数为：静电纺丝电压为20kV，溶液流速为1mL/h，接收距离为15cm，温度为 25℃，相对湿度为40％。随后将所得的聚甲基丙烯酸甲酯微/纳米纤维膜置于60℃下真空干燥，使剩余溶剂充分挥发。
S2，对聚甲基丙烯酸甲酯微/纳米纤维膜进行等离子改性，得表面带大量负电荷的底板。
具体地，将步骤S1制备获得的聚甲基丙烯酸甲酯微/纳米纤维膜置于低温等离子仪反应腔内的玻璃板上，打开氩气气阀，使其气压维持在0.2MPa 左右。设置氩气等离子反应参数：背底真空度为30Pa，气体流速为60cm3/min，功率为150W，处理时间为90s。
测量氩气等离子改性后的聚甲基丙烯酸甲酯微/纳米纤维膜的zeta电位和润湿性。
S3，采用浸泡层层自组装技术将带相反电荷的壳聚糖和丝素蛋白交替组装到底板上，直至达到所需的双层数。
具体地，将壳聚糖粉末加入到0.5％(V/V)的乙酸水溶液中，配制成1 mg/mL壳聚糖溶液，并调pH至5。将丝素蛋白加入到去离子水中，配制成 1mg/mL丝素蛋白溶液，并调pH至5.3。
将步骤S2改性的底板(带大量负电的亲水聚甲基丙烯酸甲酯微/纳米纤维膜)浸泡到带正电的壳聚糖溶液中，使底板与溶液充分接触，20分钟后将底板取出，采用0.1M的氯化钠溶液清洗三次，去除膜表面未组装成功的壳聚糖，形成带第一层壳聚糖的底板。再将带第一层壳聚糖的底板浸泡到带负电的丝素蛋白溶液中，使膜与溶液充分接触，20分钟后将膜取出，采用0.1M 的氯化钠溶液清洗三次，去除膜表面未组装成功的丝素蛋白，形成带第一层丝素蛋白的底板，至此成功组装一个双层。依次重复上述形成带第一层壳聚糖的底板和形成带第一层丝素蛋白的底板的步骤，直至双层数达到5或5.5，干燥，即得聚甲基丙烯酸甲酯-壳聚糖-丝素蛋白改性复合微/纳米纤维膜。
实施例3
本实施例提供一种改性复合纤维膜层层自组装方法，包括如下步骤：
S1，通过静电纺丝技术制备聚丙烯腈微/纳米纤维膜。
具体地，将聚丙烯腈溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶液中，得到10wt％的聚丙烯腈溶液。然后通过静电纺丝技术制备聚丙烯腈微/纳米纤维膜，工艺参数为：静电纺丝电压为18kV，溶液流速为0.8mL/h，接收距离为15cm，温度为25℃，相对湿度为40％。随后将所得的聚丙烯腈微/纳米纤维膜置于60℃下真空干燥，使剩余溶剂充分挥发。
S2，对聚丙烯腈微/纳米纤维膜进行等离子改性，得表面带大量负电荷的底板。
具体地，将步骤S1制备获得的聚丙烯腈微/纳米纤维膜置于低温等离子仪反应腔内的玻璃板上，打开氨气气阀，使其气压维持在0.2MPa左右。设置氨气等离子反应参数：背底真空度为30Pa，气体流速为60cm3/min，功率为100W，处理时间为90s。
测量氨气等离子改性后的聚丙烯腈微/纳米纤维膜的zeta电位和润湿性。
S3，采用浸泡层层自组装技术将带相反电荷的溶菌酶和胶体蛋白交替组装到底板上，直至达到所需的双层数。
具体地，将水溶性胶原蛋白加入到去离子水中，配制成1mg/mL胶原蛋白溶液，并调pH至6。将溶菌酶加入到去离子水中，配制成1mg/mL溶菌酶溶液，并调pH至6.5。
将步骤S2改性的底板(带大量负电的亲水聚丙烯腈微/纳米纤维膜)浸泡到带正电的溶菌酶溶液中，使底板与溶液充分接触，20分钟后将底板取出，采用0.1M的氯化钠溶液清洗三次，去除膜表面未组装成功的溶菌酶，形成带第一层溶菌酶的底板。再将带第一层溶菌酶的底板浸泡到带负电的胶原蛋白溶液中，使膜与溶液充分接触，20分钟后将膜取出，采用0.1M的氯化钠溶液清洗三次，去除膜表面未组装成功的胶原蛋白，形成带第一层胶原蛋白的底板，至此成功组装一个双层。依次重复上述形成带第一层溶菌酶的底板和形成带第一层胶原蛋白的底板的步骤，直至双层数达到5或5.5，干燥，即得聚丙烯腈-溶菌酶-胶原蛋白改性复合微/纳米纤维膜。
事实上，经过大量的试验探究，本发明创造性地通过等离子改性和浸泡层层自组装使原本疏水且不宜用于生物医药、环境保护等领域的微/纳米材料具备良好的生物相容性、促进细胞增殖的作用、抑菌性、水处理能力等性能，从而可以有效扩大底板材料的选择范围和应用范围。本发明对底板材料的表面电荷和润湿性没有任何限制，具有条件绿色环保、工艺简单、适用范围广等优点。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种改性复合纤维膜层层自组装方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备疏水微/纳高分子纤维膜；
对所述疏水微/纳高分子纤维膜的表面进行等离子体改性，得底板；
采用浸泡层层自组装技术将带相反电荷的聚电解质A和聚电解质B交替组装到所述底板上，直至达到所需的双层数，且最外层为牛血清白蛋白，所述聚电解质A为壳聚糖，所述聚电解质B为牛血清白蛋白,即得。
2.根据权利要求1所述的改性复合纤维膜层层自组装方法，其特征在于，所述疏水微/纳高分子纤维膜的材料选自胶原蛋白、丝素蛋白、醋酸纤维素、壳聚糖及其衍生物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚己内酯共聚物中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的改性复合纤维膜层层自组装方法，其特征在于，所述疏水微/纳高分子纤维膜由静电纺丝法、干法纺丝法、湿法纺丝法、相分离法、离心纺丝法、复合纺丝法、分子喷丝板纺丝法、复合纺丝法中的任一种制备而成。
4.根据权利要求3所述的改性复合纤维膜层层自组装方法，其特征在于，所述疏水微/纳高分子纤维膜由静电纺丝法制备而成，工艺参数为：静电纺丝电压为16-22kV，溶液流速为0.7mL/h-1.2mL/h，接收距离为15cm，温度为15℃-30℃，相对湿度为35％-40％。
5.根据权利要求1至4任一项所述的改性复合纤维膜层层自组装方法，其特征在于，所述等离子体改性的条件参数为：工作气体选自氧气、氮气、氦气和氩气中的一种或多种，等离子处理功率为70W-180W，处理时间为30s～110s，背底真空度为30Pa，气体流速为55cm3/min-65cm3/min。
6.根据权利要求5所述的改性复合纤维膜层层自组装方法，其特征在于，所述底板的zeta电位的绝对值不小于10mV。
7.根据权利要求1至4任一项所述的改性复合纤维膜层层自组装方法，其特征在于，所述采用浸泡层层自组装技术将带相反电荷的聚电解质A和聚电解质B交替组装到所述底板上的步骤中，还包括采用清洗液清洗未组装到所述底板上的聚电解质A和聚电解质B的步骤。
8.由权利要求1至7任一项所述的改性复合纤维膜层层自组装方法制备获得的改性复合纤维膜。
9.权利要求8所述的改性复合纤维膜在细胞培养中的应用。
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