CN111286066A - 基材亲水表面的制备工艺以及三维细胞培养支架 - Google Patents

基材亲水表面的制备工艺以及三维细胞培养支架 Download PDF

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方想元
袁晔
袁建华
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Guangzhou Jet Bio Filtration Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种基材亲水表面的制备工艺及三维细胞培养支架。基材亲水表面的制备工艺包括如下步骤：S1、电晕处理：对聚合物基材电晕处理，使得聚合物基材得到初步亲水表面；S2、微波处理：将混合气体进行微波处理，电离生成活性粒子；S3、等离子处理：将步骤S2得到的活性粒子对步骤S1得到的具有初步亲水表面的聚合物基材进行等离子处理，使得所述聚合物基材得到富氧超亲水表面。三维细胞培养支架包括聚合物支架，所述聚合物支架通过所述的基材亲水表面的制备工艺进行表面处理。本发明的基材亲水表面的制备工艺能够使得三维结构的细胞培养支架产品内外层支架表面获得均一且持久的亲水性能，以提高细胞支架上的贴壁率及存活率。

Description

基材亲水表面的制备工艺以及三维细胞培养支架
技术领域
本发明涉及细胞培养技术领域，特别是涉及一种基材亲水表面的制备工艺以及三维细胞培养支架。
背景技术
近年来，高分子材料表面改性的主要方法包括表面覆盖法、表面氧化法、共混表面改性、等离子体法和表面接枝法等，其中等离子体法又包括大气等离子法、真空等离子法和电晕等离子法，为上述些等离子法提供能源的来源包括常压电晕放电、真空等离子法的无线电射频、直流电放电法、低频、无线电射频、微波法和其他电磁辐射法。在多种可供选择的表面改性处理技术中，等离子体技术，特别是低温等离子体技术是一种比较理想的加工技术，这种技术具有常温工作，状态稳定，处理均匀、无污染等优点，特别是能够提供高电离度、高活性的等离子体，已被广泛应用于处理各种材料的表面，在电子、机械、塑料、橡胶等工业和生物医学工程方面有重要的作用。
目前，常规的二维细胞培养表面，如培养板、瓶、皿、转瓶、多层细胞培养瓶等通常采用等离子体处理技术进行表面亲水改性，使得二维平面细胞培养装置具有亲水效果，但是当细胞培养装置从二维转变成三维结构时，直接采用等离子体表面处理技术对三维细胞培养装置进行改性处理形成的亲水表面，其表面亲水能力较差，不能实现细胞良好的贴在三维培养支架上进行贴壁生长。现有的处理技术都适用于单一层次的二维表面，不适用于多层中空三维结构的亲水改性处理。目前无论单一采用等离子还是电晕处理均不能使多层培养支架表面和内部获得均一的亲水处理效果，只能使表层支架获得亲水效果，内部的支架层无法获得亲水效果，或亲水效果很弱，不能满足贴壁细胞粘附在支架表面。使用二维平面处理方法处理三维细胞培养支架产品，处理结束后表层亲水效果比较好，但是亲水时效较差，放置一周亲水效果就发生减弱，亲水性不够持久。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够使具有三维结构的细胞培养支架内外表面获得均一且持久的亲水性能，以提高细胞支架上的贴壁率及存活率的基材亲水表面的制备工艺以及三维细胞培养支架。
一种基材亲水表面的制备工艺，包括如下步骤：
S1、电晕处理：对聚合物基材进行电晕处理，使得所述聚合物基材得到初步亲水表面；
S2、微波处理：将混合气体进行微波处理，电离生成活性粒子；
S3、等离子处理：将步骤S2得到的所述活性粒子对步骤S1得到的具有所述初步亲水表面的所述聚合物基材进行等离子处理，使得所述聚合物基材得到富氧超亲水表面。
在其中一个实施例中，步骤S1中，电晕处理时，所述聚合物基材的处理高度为100mm-200mm，所述聚合物基材输送速度为0.5m/min-1.5m/min，电晕处理的处理功率为1500Watts-2000Watts，电晕处理的电压为5000V/m2-15000V/m2。
在其中一个实施例中，步骤S1中，电晕处理在温度为20℃-30℃，相对湿度为15％-25％的除尘空气中进行。
在其中一个实施例中，步骤S1中，电晕处理具体包括如下步骤，将所述聚合物基材送入电晕装置内，所述电晕装置加压令电子离开电极，使得处于电场中的气体受电子碰撞后离子化并撞击所述聚合物基材的表面，以得到所述初步亲水表面。
在其中一个实施例中，步骤S1中，电晕处理时还包括如下步骤，通过电离空气使得空气离子化并撞击所述聚合物基材，使得所述聚合物基材的表面获得含氧亲水基团。
在其中一个实施例中，步骤S2中，微波处理时，微波频率为24400MHZ-24700MHZ、微波处理时间为500s-1500s。
在其中一个实施例中，步骤S2中，具体包括如下步骤：将混合气体通入微波发生器内进行微波放电处理，电离生成所述活性粒子。
在其中一个实施例中，步骤S3中，等离子处理时，真空度为1.5mT-10mT、温度为27℃-35℃、气体流量为500sccm-1500sccm、处理功率为1000w-1500w、处理时间为500s-1500s、气压为0.4mpa-0.6mpa。
在其中一个实施例中，步骤S3中的等离子处理具体包括如下步骤，将步骤S1得到的具有所述初步亲水表面的所述聚合物基材放置在等离子发生器内，将步骤S2得到的所述活性粒子通入所述等离子发生器内以对所述聚合物基材进行等离子处理，得到所述富氧超亲水表面。
在其中一个实施例中，步骤S2得到的所述活性粒子通过旋片泵泵入所述等离子发生器内。
在其中一个实施例中，步骤S2中，所述混合气体包括如下质量百分比的成分：O294％-96％、H21％-2％、N21％-2％、N3F 1％-2％。
一种三维细胞培养支架，包括聚合物支架，所述聚合物支架通过所述的基材亲水表面的制备工艺进行表面处理。
本发明的基材亲水表面的制备工艺能够使得三维结构的细胞培养支架产品内外层支架表面获得均一且持久的亲水性能，以提高细胞支架上的贴壁率及存活率。
本发明的基材亲水表面的制备工艺可以应用在三维细胞培养装置中，例如制备三维细胞培养支架，通过多种亲水处理工艺而获得具有亲水的三维细胞培养支架，采用该方法制备得到的三维细胞培养支架的表面具有持久、稳定的亲水效果，含有丰富的含氧官能团，同时，三维细胞培养支架还具有细胞贴壁率高、细胞生产速率高和细胞形态好的特点。
具体实施方式
本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
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。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
本实施例提供了一种基材亲水表面的制备工艺。
一种基材亲水表面的制备工艺，包括如下步骤：
S1、电晕处理：对聚合物基材进行电晕处理，使得所述聚合物基材得到初步亲水表面。
S2、微波处理：将混合气体进行微波处理，电离生成活性粒子。步骤S2中，所述混合气体包括如下质量百分比的成分：O294％-96％、H21％-2％、N21％-2％、N3F 1％-2％。
S3、等离子处理：将步骤S2得到的所述活性粒子对步骤S1得到的具有所述初步亲水表面的所述聚合物基材进行等离子处理，使得所述聚合物基材得到富氧超亲水表面。
本发明的基材亲水表面的制备工艺能够使得三维结构的细胞培养支架产品内外层支架表面获得均一且持久的亲水性能，以提高细胞支架上的贴壁率及存活率。
实施例2
本实施例提供了一种基材亲水表面的制备工艺。
一种基材亲水表面的制备工艺，包括如下步骤：
S1、电晕处理：对聚合物基材电晕处理，将所述聚合物基材送入电晕装置内，所述电晕装置加压令电子离开电极，使得处于电场中的气体受电子碰撞后离子化并撞击所述聚合物基材的表面，以得到所述初步亲水表面。电晕处理时，所述聚合物基材的处理高度为100mm-200mm，所述聚合物基材输送速度为0.5m/min-1.5m/min，电晕处理的处理功率为1500Watts-2000Watts，电晕处理的电压为5000V/m2-15000V/m2。电晕处理在温度为20℃-30℃，相对湿度为15％-25％的除尘空气中进行。
S2、微波处理：将混合气体进行微波处理，电离生成活性粒子；微波处理时，微波频率为24400MHZ-24700MHZ、微波处理时间为500s-1500s。所述混合气体包括如下质量百分比的成分：O294％-96％、H21％-2％、N21％-2％、N3F1％-2％。
S3、等离子处理：将步骤S2得到的所述活性粒子对步骤S1得到的具有所述初步亲水表面的所述聚合物基材进行等离子处理，使得所述聚合物基材得到富氧超亲水表面。等离子处理时，真空度为1.5mT-10mT、温度为27℃-35℃、气体流量为500sccm-1500sccm、处理功率为1000w-1500w、处理时间为500s-1500s、气压为0.4mpa-0.6mpa。
实施例3
本实施例提供了一种基材亲水表面的制备工艺。
一种基材亲水表面的制备工艺，包括如下步骤：
S1、电晕处理：对聚合物基材电晕处理，将所述聚合物基材送入电晕装置内，所述电晕装置加压令电子离开电极，使得处于电场中的气体受电子碰撞后离子化并撞击所述聚合物基材的表面，以得到所述初步亲水表面。电晕处理时，所述聚合物基材的处理高度为100mm-200mm，所述聚合物基材输送速度为0.5m/min-1.5m/min，电晕处理的处理功率为1500Watts-2000Watts，电晕处理的电压为5000V/m2-15000V/m2。电晕处理在温度为20℃-30℃，相对湿度为15％-25％的除尘空气中进行。
通过电离空气使得空气离子化并撞击所述聚合物基材，使得所述聚合物基材的表面获得含氧亲水基团。
S2、微波处理：将混合气体通入微波发生器内进行微波放电处理，电离生成所述活性粒子。微波处理时，微波频率为24400MHZ-24700MHZ、微波处理时间为500s-1500s。步骤S2中，所述混合气体包括如下质量百分比的成分：O294％-96％、H21％-2％、N21％-2％、N3F1％-2％。
S3、等离子处理：步骤S3中的等离子处理具体包括如下步骤，将步骤S1得到的具有所述初步亲水表面的所述聚合物基材放置在等离子发生器内，将步骤S2得到的所述活性粒子通过旋片泵泵入所述等离子发生器内以对所述聚合物基材进行等离子处理，得到所述富氧超亲水表面。等离子处理时，真空度为1.5mT-10mT、温度为27℃-35℃、气体流量为500sccm-1500sccm、处理功率为1000w-1500w、处理时间为500s-1500s、气压为0.4mpa-0.6mpa。
实施例4
本实施例提供了一种基材亲水表面的制备工艺。
一种基材亲水表面的制备工艺，包括如下步骤：
S1、电晕处理：对聚合物基材电晕处理，将所述聚合物基材送入电晕装置内，所述电晕装置加压令电子离开电极，使得处于电场中的气体受电子碰撞后离子化并撞击所述聚合物基材的表面，以得到所述初步亲水表面。电晕处理时，所述聚合物基材的处理高度为200mm，所述聚合物基材输送速度为1.5m/min，电晕处理的处理功率为1500Watts，电晕处理的电压为5000V/m2。电晕处理在温度为20℃，相对湿度为15％的除尘空气中进行。
通过电离空气使得空气离子化并撞击所述聚合物基材，使得所述聚合物基材的表面获得含氧亲水基团。
S2、微波处理：将混合气体通入微波发生器内进行微波放电处理，电离生成所述活性粒子。微波处理时，微波频率为24700MHZ、微波处理时间为500s。步骤S2中，所述混合气体包括如下质量百分比的成分：O294％、H22％、N22％、N3F 2％。
S3、等离子处理：步骤S3中的等离子处理具体包括如下步骤，将步骤S1得到的具有所述初步亲水表面的所述聚合物基材放置在等离子发生器内，将步骤S2得到的所述活性粒子通过旋片泵泵入所述等离子发生器内以对所述聚合物基材进行等离子处理，得到所述富氧超亲水表面。等离子处理时，真空度为1.5mT、温度为27℃、气体流量为1500sccm、处理功率为1500w、处理时间为1500s、气压为0.6mpa。
实施例5
本实施例提供了一种基材亲水表面的制备工艺。
一种基材亲水表面的制备工艺，包括如下步骤：
S1、电晕处理：对聚合物基材电晕处理，将所述聚合物基材送入电晕装置内，所述电晕装置加压令电子离开电极，使得处于电场中的气体受电子碰撞后离子化并撞击所述聚合物基材的表面，以得到所述初步亲水表面。电晕处理时，所述聚合物基材的处理高度为100mm，所述聚合物基材输送速度为0.5m/min，电晕处理的处理功率为2000Watts，电晕处理的电压为15000V/m2。电晕处理在温度为30℃，相对湿度为25％的除尘空气中进行。
通过电离空气使得空气离子化并撞击所述聚合物基材，使得所述聚合物基材的表面获得含氧亲水基团。
S2、微波处理：将混合气体通入微波发生器内进行微波放电处理，电离生成所述活性粒子。微波处理时，微波频率为24400MHZ、微波处理时间为700s。所述混合气体包括如下质量百分比的成分：O296％、H22％、N21％、N3F 1％。
S3、等离子处理：步骤S3中的等离子处理具体包括如下步骤，将步骤S1得到的具有所述初步亲水表面的所述聚合物基材放置在等离子发生器内，将步骤S2得到的所述活性粒子通过旋片泵泵入所述等离子发生器内以对所述聚合物基材进行等离子处理，得到所述富氧超亲水表面。等离子处理时，真空度为10mT、温度为35℃、气体流量为500sccm、处理功率为1500w、处理时间为500s、气压为0.4mpa。
实施例6
本实施例提供了一种基材亲水表面的制备工艺。
一种基材亲水表面的制备工艺，包括如下步骤：
S1、电晕处理：对聚合物基材电晕处理，将所述聚合物基材送入电晕装置内，所述电晕装置加压令电子离开电极，使得处于电场中的气体受电子碰撞后离子化并撞击所述聚合物基材的表面，以得到所述初步亲水表面。电晕处理时，所述聚合物基材的处理高度为150mm，所述聚合物基材输送速度为1m/min，电晕处理的处理功率为1800Watts，电晕处理的电压为7000V/m2。电晕处理在温度为25℃，相对湿度为20％的除尘空气中进行。
通过电离空气使得空气离子化并撞击所述聚合物基材，使得所述聚合物基材的表面获得含氧亲水基团。
S2、微波处理：将混合气体通入微波发生器内进行微波放电处理，电离生成所述活性粒子。微波处理时，微波频率为24500MHZ、微波处理时间为800s。所述混合气体包括如下质量百分比的成分：O295％、H2％、N21％、N3F 2％。
S3、等离子处理：步骤S3中的等离子处理具体包括如下步骤，将步骤S1得到的具有所述初步亲水表面的所述聚合物基材放置在等离子发生器内，将步骤S2得到的所述活性粒子通过旋片泵泵入所述等离子发生器内以对所述聚合物基材进行等离子处理，得到所述富氧超亲水表面。等离子处理时，真空度为5mT、温度为30℃、气体流量为800sccm、处理功率为1200w、处理时间为800s、气压为0.5mpa。
实施例7
本实施例提供了一种三维细胞培养支架。
一种三维细胞培养支架包括聚合物支架。所述聚合物支架通过实施例1所述的基材亲水表面的制备工艺进行表面处理。
实施例8
本实施例提供了一种三维细胞培养支架。
一种三维细胞培养支架包括聚合物支架。所述聚合物支架通过下述的制备工艺进行表面处理。
S1、电晕处理：对聚合物支架电晕处理，将所述聚合物支架送入电晕装置内，所述电晕装置加压令电子离开电极，使得处于电场中的气体受电子碰撞后离子化并撞击所述聚合物支架的表面，以得到所述初步亲水表面。电晕处理时，所述聚合物支架的处理高度为150mm，所述聚合物支架输送速度为1m/min，电晕处理的处理功率为1800Watts，电晕处理的电压为7000V/m2。电晕处理在温度为25℃，相对湿度为20％的除尘空气中进行。
通过电离空气使得空气离子化并撞击所述聚合物支架，使得所述聚合物支架的表面获得含氧亲水基团。
S2、微波处理：将混合气体通入微波发生器内进行微波放电处理，电离生成所述活性粒子。微波处理时，微波频率为24500MHZ、微波处理时间为800s。所述混合气体包括如下质量百分比的成分：O296％、H21％、N22％、N3F 1％。
S3、等离子处理：步骤S3中的等离子处理具体包括如下步骤，将步骤S1得到的具有所述初步亲水表面的所述聚合物支架放置在等离子发生器内，将步骤S2得到的所述活性粒子通过旋片泵泵入所述等离子发生器内以对所述聚合物支架进行等离子处理，得到所述富氧超亲水表面。等离子处理时，真空度为5mT、温度为30℃、气体流量为800sccm、处理功率为1200w、处理时间为800s、气压为0.5mpa。
本实施例的成品通过X射线光电子能谱仪检测，经过处理的基材亲水表面的氧元素由原来的4.6％升高到48.5％，这说明经过本发明的制备工艺制得的三维细胞培养装置表面引入大量的含氧基团；使用接触角测量仪测定，其亲水细胞生长表面对水的接触角为7°，具有持久、稳定的超亲水效果。
实施例9
本实施例提供了一种三维细胞培养支架。
一种三维细胞培养支架包括聚合物支架。所述聚合物支架通过下述的制备工艺进行表面处理。
S1、电晕处理：对聚合物支架电晕处理，将所述聚合物支架送入电晕装置内，所述电晕装置加压令电子离开电极，使得处于电场中的气体受电子碰撞后离子化并撞击所述聚合物支架的表面，以得到所述初步亲水表面。电晕处理时，所述聚合物支架的处理高度为100mm，所述聚合物支架输送速度为0.5m/min，电晕处理的处理功率为2000Watts，电晕处理的电压为15000V/m2。电晕处理在温度为30℃，相对湿度为25％的除尘空气中进行。
通过电离空气使得空气离子化并撞击所述聚合物支架，使得所述聚合物支架的表面获得含氧亲水基团。
S2、微波处理：将混合气体通入微波发生器内进行微波放电处理，电离生成所述活性粒子。微波处理时，微波频率为24400MHZ、微波处理时间为700s。所述混合气体包括如下质量百分比的成分：O294％、H22％、N22％、N3F 2％。
S3、等离子处理：步骤S3中的等离子处理具体包括如下步骤，将步骤S1得到的具有所述初步亲水表面的所述聚合物支架放置在等离子发生器内，将步骤S2得到的所述活性粒子通过旋片泵泵入所述等离子发生器内以对所述聚合物支架进行等离子处理，得到所述富氧超亲水表面。等离子处理时，真空度为10mT、温度为35℃、气体流量为500sccm、处理功率为1500w、处理时间为500s、气压为0.4mpa。
本实施例的成品通过X射线光电子能谱仪检测，经过处理的基材亲水表面的氧元素由原来的4.6％升高到47％，这说明经过本发明的制备工艺制得的三维细胞培养装置表面引入大量的含氧基团；使用接触角测量仪测定，其亲水细胞生长表面对水的接触角为8°，具有持久、稳定的超亲水效果。
本发明的基材亲水表面的制备工艺可以应用在三维细胞培养装置中，例如制备三维细胞培养支架，通过多种亲水处理工艺而获得具有亲水的三维细胞培养支架，采用该方法制备得到的三维细胞培养支架的表面具有持久、稳定的亲水效果，含有丰富的含氧官能团，同时，三维细胞培养支架还具有细胞贴壁率高、细胞生产速率高和细胞形态好的特点。
以上所述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。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种基材亲水表面的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、电晕处理：对聚合物基材进行电晕处理，使得所述聚合物基材得到初步亲水表面；
S2、微波处理：将混合气体进行微波处理，电离生成活性粒子；
S3、等离子处理：将步骤S2得到的所述活性粒子对步骤S1得到的具有所述初步亲水表面的所述聚合物基材进行等离子处理，使得所述聚合物基材得到富氧超亲水表面。
2.根据权利要求1所述的基材亲水表面的制备工艺，其特征在于，步骤S1中，电晕处理时，所述聚合物基材的处理高度为100mm-200mm，所述聚合物基材输送速度为0.5m/min-1.5m/min，电晕处理的处理功率为1500Watts-2000Watts，电晕处理的电压为5000V/m2-15000V/m2。
3.根据权利要求1所述的基材亲水表面的制备工艺，其特征在于，步骤S1中，电晕处理在温度为20℃-30℃，相对湿度为15％-25％的除尘空气中进行。
4.根据权利要求2或3所述的基材亲水表面的制备工艺，其特征在于，步骤S1中，电晕处理具体包括如下步骤，将所述聚合物基材送入电晕装置内，所述电晕装置加压令电子离开电极，使得处于电场中的气体受电子碰撞后离子化并撞击所述聚合物基材的表面，以得到所述初步亲水表面。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的基材亲水表面的制备工艺，其特征在于，步骤S1中，电晕处理时还包括如下步骤，通过电离空气使得空气离子化并撞击所述聚合物基材，使得所述聚合物基材的表面获得含氧亲水基团。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的基材亲水表面的制备工艺，其特征在于，步骤S2中，微波处理时，微波频率为24400MHZ-24700MHZ、微波处理时间为500s-1500s。
7.根据权利要求6所述的基材亲水表面的制备工艺，其特征在于，步骤S2中，具体包括如下步骤：将混合气体通入微波发生器内进行微波放电处理，电离生成所述活性粒子。
8.根据权利要求1-3任意一项所述的基材亲水表面的制备工艺，其特征在于，步骤S3中，等离子处理时，真空度为1.5mT-10mT、温度为27℃-35℃、气体流量为500sccm-1500sccm、处理功率为1000w-1500w、处理时间为500s-1500s、气压为0.4mpa-0.6mpa。
9.根据权利要求7所述的基材亲水表面的制备工艺，其特征在于，步骤S3中的等离子处理具体包括如下步骤，将步骤S1得到的具有所述初步亲水表面的所述聚合物基材放置在等离子发生器内，将步骤S2得到的所述活性粒子通入所述等离子发生器内以对所述聚合物基材进行等离子处理，得到所述富氧超亲水表面。
10.根据权利要求1-3任意一项所述的基材亲水表面的制备工艺，其特征在于，步骤S2得到的所述活性粒子通过旋片泵泵入所述等离子发生器内。
11.根据权利要求1-3任意一项所述的基材亲水表面的制备工艺，其特征在于，步骤S2中，所述混合气体包括如下质量百分比的成分：O294％-96％、H21％-2％、N21％-2％、N3F1％-2％。
12.一种三维细胞培养支架，其特征在于，包括聚合物支架，所述聚合物支架通过权利要求1-11任意一项所述的基材亲水表面的制备工艺进行表面处理。
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