CN111270349B - 基于微流体纺丝氧化石墨烯纤维及三维支架的制备方法 - Google Patents

基于微流体纺丝氧化石墨烯纤维及三维支架的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明所述的氧化石墨烯纤维的制备方法、氧化石墨烯纤维三维支架的制备方法、以及氧化石墨烯纤维三维支架的应用中：首先采用PDMS与毛细玻璃管组装成微流体芯片；然后采用微流体湿法纺丝方法制备直径为微米级的氧化石墨烯纤维；再将该微流体芯片装载在3D打印平台上，打印出十字交叉型氧化石墨烯纤维三维支架；最后采用人源神经母瘤细胞接种于该氧化石墨烯纤维支架上，通过7天培养，细胞可以正常粘附、铺展和增值，具有良好的细胞相容性。本发明采用三通型微流体纺丝芯片，通过将氧化石墨烯凝胶作为微流体芯片的内流体，将另一种溶液作为微流体纺丝芯片的外流体，实现了氧化石墨烯纤维长度和直径的可控制备，降低了凝固浴溶液的使用量，节约环保。

Description

基于微流体纺丝氧化石墨烯纤维及三维支架的制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯宏观组装材料技术领域，更具体地，涉及一种基于微流体纺丝氧化石墨烯纤维及三维支架的制备方法，以及氧化石墨烯纤维三维支架的应用。
背景技术
石墨烯是一种由碳单原子按照sp2杂化轨道构成的层状二维平面材料，自从2004年被英国科学家Andre Geim和Kostya Novoselov采用机械剥离法从石墨中制备出来以后，在物理、化学、材料、能源及生物领域获得广泛的研究。石墨烯具有高的断裂强度、高的杨氏模量、优异的热导及电导性能、大的比表面积、良好的生物相容性，这些优异的性能推动了石墨烯及其相关衍生物材料的发展，也推动了由石墨烯纳米材料构建宏观组装材料，如石墨烯纤维、石墨烯纸及薄膜和石墨烯气凝胶等的发展。
将石墨烯组装成宏观材料，是实现石墨烯产业化应用的重要研究方向。传统制备石墨烯纤维的方法主要有受限水热处理法和湿法纺丝法。其中受限水热处理法包括：曲良体组以氧化石墨烯溶液有前驱体，通过将氧化石墨烯注入到毛细玻璃管模具中，两端封闭，然后于230℃进行5～8h水热处理，制备得到了石墨烯纤维。但是该方法存在不足，包括封闭操作难度大，反应时间长，而且纤维长度和直径受限于毛细玻璃管的长度和直径，难以实现规模化制备。湿法纺丝法包括：高超组以氧化石墨烯液晶为纺丝液，以氢氧化钾和甲醇混合溶液为凝固液，以注射器头为纺丝头，采用直接挤入的方式，再施加牵引力，制备氧化石墨烯纤维，然后经过化学还原将其转变为石墨烯纤维。但是采用该方法制备的石墨烯纤维直径不可控，并且需要消耗大量的有毒凝固液，不利于环境保护。
此外，也有现有技术采用同轴静电纺丝的技术方案，例如公开号为CN106943626A，主题为一种负载kartogenin的纳米纤维组织工程支架的制备方法的中国发明专利，采用皮层静电纺丝溶液、芯层静电纺丝溶液分别装入注射器中，进行同轴静电纺丝，然后进行熏蒸处理，真空干燥，即得负载kartogenin的纳米纤维组织工程支架。但是该技术方案同样不能控制纤维直径，由于凝固液的使用对环境污染污染较大。
发明内容
本发明的首要目的在于针对上述缺陷和不足，基于设备简单，过程可控，纺丝参数可以调节的仿生蜘蛛纺丝技术的微流控纺丝技术，提供一种纤维长度和直径可控、环保的氧化石墨烯纤维的制备方法。
本发明的另一个目的在于，提供一种结合3D打印平台，可以实现氧化石墨烯纤维三维支架的可控制备，并且有助于规模化生产的氧化石墨烯纤维三维支架的制备方法。
本发明的再一个目的在于，提供一种所述氧化石墨烯纤维三维支架的应用。
为了实现上述目的，本发明采用的具体技术方案为：
本发明所述的氧化石墨烯纤维的制备方法、氧化石墨烯纤维三维支架的制备方法、以及氧化石墨烯纤维三维支架的应用中：首先采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)与毛细玻璃管组装成微流控纺丝芯片；然后采用微流体湿法纺丝方法制备直径为微米级的氧化石墨烯纤维；再将该微流体芯片装载在3D打印平台上，打印出十字交叉型氧化石墨烯纤维三维支架；最后采用人源神经母瘤细胞接种于该氧化石墨烯纤维支架上，通过7天培养，细胞可以正常粘附、铺展和增值，验证了该氧化石墨烯纤维三维支架具的良好的细胞相容性。
本发明所述的基于微流体纺丝的氧化石墨烯纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1.制备氧化石墨烯凝胶：将氧化石墨烯稀溶液浓缩，得到氧化石墨烯凝胶；
S2.制备氧化石墨烯纤维：采用三通道型微流体芯片，将氧化石墨烯凝胶作为微流体芯片的内流体，以10～100uL/min的速度挤出；将1～10％金属盐-单元醇水溶液作为微流体芯片的外流体，流速为60～160mL/h，得到氧化石墨烯纤维。其中，三通型微流体芯片模具的制备：
首先将PDMS溶液与交联剂以10:1的比例混合，搅拌均匀，静置6h，然后倒入设计好的模具里，在真空除气机中充分除去气泡，于65℃处理3～5h固化后，拔出成型钢丝得到PDMS芯片模具。然后，使用等离子清洗机清洗5min，备用。
毛细玻璃管的制备：
采用Sutter Instrument毛细管拉制机，对1.20mm直径，长度为10mm的毛细玻璃管进行拉制，得到锥形毛细玻璃管，然后通过1000#砂纸打磨，在光学显微镜下测量观察，得到所需口径的锥形开口玻璃毛细管。用去离子水清洗干净，干燥后插入到PDMS芯片通道中合适的位置，再接入其他两根毛细玻璃管，形成所用的微流控纺丝芯片。
本发明所述的基于微流体纺丝的氧化石墨烯纤维的制备方法的工作原理：
将经过浓缩后的浓度为20～40mg/mL的氧化石墨烯凝胶吸入20mL的注射器中，安装在注射泵上，以10～100μL/min的速度挤入微流体芯片的内流通道中。将1～10％金属盐-单元醇水溶液作为微流体芯片的外流体，以60～160mL/h的速度连续稳定的供入微流体芯片的外流通道中，两种流体共同作用下，产生稳定的氧化石墨烯微纤维。通过调节两种流体的供给速率，可以实现纤维直径在50～200μm的精确调控。
作为本发明进一步的技术方案，所述步骤S2中内流体挤出速度为50～80uL/min，外流体流速为100～120mL/h。
作为本发明进一步的技术方案，所述步骤S2中金属盐为KCl、NaCl、K2SO4、Na2SO4、CaCl2、MgCL2、BaCL2、Ca(NO3)2、AlSO4、AlCl3、或Al(NO3)3之一；所述单元醇为甲醇或乙醇。
作为本发明进一步的技术方案，所述步骤S1中的浓缩为减压蒸发浓缩，其中所述氧化石墨烯稀溶液的浓度为0.5～10mg/mL，浓缩后的浓度为20～40mg/mL。
作为本发明进一步的技术方案，所述步骤S1中采用旋转蒸发仪于40～70℃、50～100rmp转速下进行减压蒸发浓缩。
作为本发明进一步的技术方案，所述步骤S2三通型微流体芯片包括PDMS基板与三通毛细玻璃管。
本发明所述的氧化石墨烯纤维三维支架的制备方法：将微流体芯片装载在3D打印平台上作为打印头，连续挤出内流体、以及外流体，得到三维氧化石墨烯微米纤维支架。
本发明所述的氧化石墨烯纤维三维支架的制备方法的工作原理：
通过将制备的三通型微流体芯片与可编程3D打印平台的结合，可以实现化学交联溶液材料的微米纤维支架的三维构建。通过设计3D打印图案的编程，采用优化的微流体纺丝参数，由计算机控制微流控芯片打印头的路径和位置，逐层堆叠，实现了氧化石墨烯微米纤维的宏观组装，制备了十字交叉的网状氧化石墨烯纤维三维支架。
作为本发明进一步的技术方案，所述3D打印平台可移动。
作为本发明进一步的技术方案，所述3D打印的设置为用于制作间隔为200um、400um、或800um之一的交叉图案。该交叉图案可以为十字交叉图案。
本发明所述的氧化石墨烯纤维三维支架在生物医用领域的应用。
作为本发明进一步的技术方案，在人源神经母瘤细胞培养上的应用。
将人源神经母瘤细胞接种于该氧化石墨烯纤维支架上，通过1、4、7天培养，细胞可以正常粘附、铺展和增值，表现出良好的细胞相容性。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明采用三通型微流纺丝芯片，通过将氧化石墨烯凝胶作为微流体芯片的内流体，以10～100uL/min的速度挤出；同时，将1～10％金属盐-单元醇水溶液作为微流体芯片的外流体，流速为60～160mL/h，实现了氧化石墨烯纤维长度和直径的可控制备，提高了氧化石墨烯纤维的产品质量，降低了凝固浴溶液的使用量。传统的湿法纺丝使用20mL氧化石墨烯凝胶，一般至少需要消耗500mL凝固浴溶液，而本发明中仅需要50mL凝固浴溶液，是传统湿法纺丝法中凝固浴溶液用量的十分之一。而这些凝固浴溶液常常为具有毒性的物质，其排放对环境造成污染，本发明减少使用这些有毒的凝固浴溶液，有利于环境的保护，减少二次污染。
本发明将三通型微流体芯片作为3D打印机打印头，实现了制备氧化石墨烯纤维三维生物支架的可控目的，提高了氧化石墨烯纤维三维支架的制备效率。
本发明的制备的氧化石墨烯纤维三维支架和还原氧化石墨烯纤维三维支架具有尺寸可控，结构可调的优势，特别适用于生物组织修复领域。可以根据生物组织修复所需要的尺寸进行长度和直径可控的氧化石墨烯纤维所组成的三维支架，进一步地提高了其应用价值，可以更好的为生物组织修复提供定量分析基础。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明优选实施方式中三通型微流体芯片结构示意图。
图2为本发明优选实施方式中氧化石墨烯纤维成品图。
图3为本发明优选实施方式中十字交叉的网状氧化石墨烯纤维三维支架成品图。
图4为本发明优选实施方式中十字交叉的网状氧化石墨烯纤维三维支架近距离观察的成品图。
图5为本发明优选实施方式中接种人源神经母瘤细胞于氧化石墨烯纤维三维支架培养图。
图6为本发明优选实施方式中多种氧化石墨烯纤维三维支架成品图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明做进一步的解释及说明，应当理解下面的实施方式的目的是为了使本发明的技术方案更加清楚、易于理解，并不限制权利要求的保护范围。
本发明所述的氧化石墨烯纤维的制备方法、氧化石墨烯纤维三维支架的制备方法、以及氧化石墨烯纤维三维支架的应用中：首先采用PDMS与毛细玻璃管组装成三通型微流体芯片；然后采用微流体湿法纺丝方法制备直径为微米级的氧化石墨烯纤维；再将该微流体芯片装载在3D打印平台上，打印出十字交叉型氧化石墨烯纤维三维支架；最后采用人源神经母瘤细胞接种于该氧化石墨烯纤维支架上，通过7天培养，细胞可以正常粘附、铺展和增值，验证了该氧化石墨烯纤维三维支架具的良好的细胞相容性。
本发明所述的基于微流体纺丝的氧化石墨烯纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1.制备氧化石墨烯凝胶：将氧化石墨烯稀溶液浓缩，得到氧化石墨烯凝胶；
S2.制备氧化石墨烯纤维：采用三通道型微流体芯片，将氧化石墨烯凝胶作为微流体芯片的内流体，以10～100uL/min的速度挤出；将1～10％金属盐-单元醇水溶液作为微流体芯片的外流体，流速为60～160mL/h，纺丝得到氧化石墨烯纤维。其中，金属盐为KCl、NaCl、K2SO4、Na2SO4、CaCl2、MgCL2、BaCL2、Ca(NO3)2、AlSO4、AlCl3、或Al(NO3)3之一；单元醇为甲醇或乙醇。
如图1所示，三通型微流体芯片模具的制备：
首先将PDMS溶液与交联剂以10:1的比例混合，搅拌均匀，静置6h，然后倒入设计好的模具里，在真空除气机中充分除去气泡，于65℃处理3～5h固化后，拔出成型钢丝得到PDMS芯片模具。然后，使用等离子清洗机清洗5min，备用。
毛细玻璃管的制备：
采用Sutter Instrument毛细管拉制机，对直径为1.20mm，长度为10mm的毛细玻璃管进行拉制，得到锥形毛细玻璃管，然后通过1000#砂纸打磨，在光学显微镜下测量观察，得到所需口径的锥形开口玻璃毛细管。用去离子水清洗干净，干燥后插入到PDMS芯片通道中合适的位置，再接入其他两根毛细玻璃管，形成所用的微流控纺丝芯片。
本发明所述的基于微流体纺丝的氧化石墨烯纤维的制备方法的工作原理：
将经过浓缩后的浓度为20～40mg/mL的氧化石墨烯凝胶吸入20mL的注射器中，安装在注射泵上，以10～100μL/min的速度挤入微流体芯片的内流通道中。外流体采用1～10％金属盐-单元醇水溶液，以60～160mL/h的速度连续稳定的供入微流体芯片的外流通道中，两种流体共同作用下，产生稳定的氧化石墨烯微纤维。如图2所示，通过调节两种流体的供给速率，可以实现纤维直径在50～200μm的精确调控。
在优选的实施方式中，所述步骤S2三通型微流体芯片包括PDMS基板与三通毛细玻璃管。所述步骤S2中内流体挤出速度为50～80uL/min，外流体流速为100～120mL/h。
在优选的实施方式中，所述步骤S1中的浓缩为减压蒸发浓缩，其中所述氧化石墨烯稀溶液的浓度为0.5～10mg/mL，浓缩后的浓度为20～40mg/mL。所述步骤S1中采用旋转蒸发仪于40～70℃、50～100rmp转速下进行减压蒸发浓缩。
本发明所述的氧化石墨烯纤维三维支架的制备方法：将微流体芯片装载在3D打印平台上作为打印头，连续挤出内流体、以及外流体，得到三维氧化石墨烯微米纤维支架。
本发明所述的氧化石墨烯纤维三维支架的制备方法的工作原理：
通过将制备的三通型微流体芯片与可编程3D打印平台的结合，可以实现化学交联溶液材料的微米纤维支架的三维构建。通过设计3D打印图案的编程，采用优化的微流体纺丝参数，由计算机控制微流控芯片打印头的路径和位置，逐层堆叠，实现了氧化石墨烯微米纤维的宏观组装，制备了如图3、4所示的十字交叉的网状氧化石墨烯纤维三维支架。
在优选的实施方式中，所述3D打印平台可移动。所述3D打印的设置为用于制作间隔为200um、400um、或800um之一的十字交叉图案。
本发明所述的氧化石墨烯纤维三维支架在生物医用领域的应用。
作为本发明进一步的技术方案，在人源神经母瘤细胞培养上的应用。
如图5所示，将人源神经母瘤细胞接种于该氧化石墨烯纤维支架上，通过1、4、7天培养，细胞可以正常粘附、铺展和增值，表现出良好的细胞相容性。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明采用三通型微流纺丝芯片，通过将氧化石墨烯凝胶作为微流体芯片的内流体，以10～100uL/min的速度挤出；同时，1～10％金属盐-单元醇水溶液作为微流体芯片的外流体，流速为60～100mL/h，实现了氧化石墨烯纤维长度和直径的可控制备，提高了氧化石墨烯纤维的产品质量，降低了凝固浴溶液的使用量。同样纺丝20mL氧化石墨烯凝胶，传统的湿法纺丝一般需要至少500mL凝固浴溶液，本发明中仅需要50mL凝固浴溶液，是湿法纺丝的十分之一。而这些凝固浴溶液常常为具有毒性的物质，其排放对环境造成污染，本发明减少使用这些有毒的凝固浴溶液，有利于环境的保护，减少二次污染。
本发明将三通型微流体纺丝芯片作为3D打印机打印头，实现了制备氧化石墨烯纤维三维生物支架的可控制备，提高了氧化石墨烯纤维三维支架的制备效率。
本发明的制备的氧化石墨烯纤维三维支架和还原氧化石墨烯纤维三维支架具有尺寸可控，结构可调的优势，特别适用于生物组织修复领域。可以根据生物组织修复所需要的尺寸进行长度和直径可控的氧化石墨烯纤维所组成的三维支架，进一步地提高了其应用价值，可以更好的为生物组织修复提供定量分析基础。
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
通过本发明制备纤维直径为110um，长度为15mm、宽度为15mm的高为5mm的石墨烯纤维3维支架。
将1mg/mL的氧化石墨烯稀溶液采用旋转蒸发仪于60℃、100rmp转速下减压蒸发2h浓缩至30mg/mL得到氧化石墨烯凝胶。采用PDMS与毛细玻璃管组装成三通道微流体芯片，内流体毛细管出口直径为80um，将30mg/mL氧化石墨烯凝胶作为微流体芯片内流体，挤出速度为20uL/min，5％CaCl2-酒精水溶液作为微流体芯片外流体，流速为100mL/h，可以纺丝得到110um的氧化石墨烯纤维。然后将微流体芯片装载在3D打印平台上，作为3D打印机打印头，采用3D打印平台设计出间距为400um，长为15mm、宽为15mm的十字交叉图案，连续挤出两种流体，通过可移动3D打印平台向上移动50次，制备得到三维氧化石墨烯微米纤维三维支架。将人源神经母瘤细胞接种于该氧化石墨烯纤维支架上，通过1、4、7天培养，细胞可以正常粘附、铺展和增值，表现出良好的细胞相容性。
实施例2
通过本发明制备纤维直径为150um，长度为12mm、宽度为12mm的高为3mm的石墨烯纤维3维支架。
将1mg/mL的氧化石墨烯稀溶液采用旋转蒸发仪于60℃、100rmp转速下减压蒸发2h浓缩至30mg/mL得到氧化石墨烯凝胶。采用PDMS与毛细玻璃管组装成三通道微流体芯片，内流体毛细管出口直径为100um，将30mg/mL氧化石墨烯凝胶作为微流体芯片内流体，挤出速度为30uL/min，5％CaCl2-酒精水溶液作为微流体芯片外流体，流速为110mL/h，可以纺丝得到150um的氧化石墨烯纤维。然后将微流体芯片装载在3D打印平台上，作为3D打印机打印头，采用3D打印平台设计出间距为600um，长为12mm、宽为12mm的十字交叉图案，连续挤出两种流体，通过可移动3D打印平台向上移动30次，制备得到三维氧化石墨烯微米纤维三维支架。将人源神经母瘤细胞接种于该氧化石墨烯纤维支架上，通过1、4、7天培养，细胞可以正常粘附、铺展和增值，表现出良好的细胞相容性。
实施例3
通过本发明制备纤维直径为180um，长度为20mm、宽度为20mm的高为5mm的石墨烯纤维3维支架。
将1mg/mL的氧化石墨烯稀溶液采用旋转蒸发仪于60℃、100rmp转速下减压蒸发2h浓缩至35mg/mL得到氧化石墨烯凝胶。采用PDMS与毛细玻璃管组装成三通道微流体芯片，内流体毛细管出口直径为120um，将35mg/mL氧化石墨烯凝胶作为微流体芯片内流体，挤出速度为40uL/min，5％CaCl2-酒精水溶液作为微流体芯片外流体，流速为120mL/h，可以纺丝得到180um的氧化石墨烯纤维。然后将微流体芯片装载在3D打印平台上，作为3D打印机打印头，采用3D打印平台设计出间距为800um，长为20mm、宽为20mm的十字交叉图案，连续挤出两种流体，通过可移动3D打印平台向上移动30次，制备得到三维氧化石墨烯微米纤维三维支架。将人源神经母瘤细胞接种于该氧化石墨烯纤维支架上，通过1、4、7天培养，细胞可以正常粘附、铺展和增值，表现出良好的细胞相容性。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种基于微流体纺丝氧化石墨烯纤维的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.制备氧化石墨烯凝胶：将氧化石墨烯稀溶液浓缩，得到氧化石墨烯凝胶；
S2.制备氧化石墨烯纤维：采用三通道型微流体芯片，所述三通型微流体芯片包括PDMS基板与三通毛细玻璃管，所述三通毛细管包括内流体毛细管、外流体毛细管和引出毛细管，内流体毛细管为锥形，将其插入到PDMS芯片通道中，再接入其他两根毛细玻璃管，形成所用的微流控纺丝芯片，将氧化石墨烯凝胶作为微流体芯片的内流体，以10～100uL/min的速度挤出；将1～10％金属盐-单元醇水溶液作为微流体芯片的外流体，流速为60～160mL/h，得到氧化石墨烯纤维。
2.根据权利要求1所述的基于微流体纺丝氧化石墨烯纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中内流体挤出速度为50～80uL/min，外流体流速为100～120mL/h。
3.根据权利要求1所述的基于微流体纺丝氧化石墨烯纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中金属盐为KCl、NaCl、K2SO4、Na2SO4、CaCl2、MgCl 2、BaCl 2、Ca(NO3)2、Al2 ( SO4)3、AlCl3、或Al(NO3)3之一；所述单元醇为甲醇或乙醇。
4.根据权利要求1所述的基于微流体纺丝氧化石墨烯纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的浓缩为减压蒸发浓缩，其中所述氧化石墨烯稀溶液的浓度为0.5～10mg/mL，浓缩后的浓度为20～40mg/mL。
5.根据权利要求4所述的基于微流体纺丝氧化石墨烯纤维的制备方法，其特征在于：采用旋转蒸发仪于40～70℃、50～100rmp转速下进行减压蒸发浓缩。
6.一种根据权利要求1～5任一项所述的制备方法得到的氧化石墨烯纤维三维支架的制备方法：将微流体芯片装载在3D打印平台上，作为打印头，连续挤出内流体、以及外流体，得到三维氧化石墨烯微米纤维支架。
7.根据权利要求6所述的氧化石墨烯纤维三维支架的制备方法，其特征在于：所述3D打印的设置为用于制作间隔为200um、400um、600或800um之一的交叉图案。
8.一种根据权利要求6～7任一项所述的制备方法得到的氧化石墨烯纤维三维支架的应用，其特征在于：在生物医用领域的应用。
9.根据权利要求8所述的氧化石墨烯纤维三维支架的应用，其特征在于：在人源神经母瘤细胞培养上的应用。
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