CN112625446B - 一种多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的制备方法及其应用 - Google Patents

一种多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生物医学材料、纳米材料的技术领域，具体涉及一种多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的制备方法及其应用，包括以下步骤：制备多重分级结构磷酸锌纳米基底HZnPNS；以HZnPNS为模板，在其表面浇注液体聚二甲基硅氧烷预聚物及其交联剂，经加热固化成型，复制HZnPNS的表面结构；将固化的聚二甲基硅氧烷从HZnPNS表面剥离，洗涤、干燥后即得所述多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底HPNS。本发明的制备方法简单、条件温和；制备的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底，可以借助光刻技术和可牺牲光刻胶，在其表面形成任意形状的聚多巴胺阵列；可以快速、高效地形成任意形状的细胞图案。

Description

一种多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的制备方法及其 应用
技术领域
本发明涉及生物医学材料、纳米材料的技术领域，具体涉及一种多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的制备方法及其应用。
背景技术
细胞图案化技术可以控制细胞粘附的形状、大小，广泛用于细胞生物学、组织工程、高通量药物筛选等领域。促使细胞图案化的方式主要有两种：一种是借助外力如光辅助、电刺激、磁吸引或者物理障碍如微通道、微孔将细胞限制于图案化区域；另一种是通过在基质表面化学修饰细胞粘分子或者抗细胞粘附分子，使得细胞选择性粘附，形成细胞图案。然而，外力可能会损伤细胞，而物理障碍受限于设备的允许的尺寸、形状，且不利于直接研究细胞对周围微环境的响应行为。对于表面化学修饰介导的细胞图案而言，研究者通常在利于细胞粘附的区域修饰细胞基质蛋白或者特异性结合抗体。不过，蛋白易受环境条件如温度、pH、离子强度的影响，导致变性。另外，研究者还在基底的表面修饰聚合物分子如聚赖氨酸、聚多巴胺，促使细胞粘附。和其他聚合物分子相比，多巴胺可以在室温条件下自发聚合(pH 8.5)修饰于各种基底包括抗粘附材料表面如疏水性聚二甲基硅氧烷(PDMS)，形成聚多巴胺(PDA)涂层。PDA的修饰可可以改善基底的表面性质如亲水性、粗糙度。因此，PDA在基底表面修饰具有明显优势。
此外，细胞对基质表面的形貌很敏感。基底表面的纳米结构可以控制其表面修饰生物活性分子的取向、增强细胞的粘附、调控细胞迁移和分化。纳米结构的基底由于具有较大的比表面积、负载的分子数目多和局部拓扑结构作用强的特性，能够快速、高效地捕获细胞。2015年，Wang等通过模板法和化学沉积法制备了图案化二氧化硅分形结构纳米基底，利用细胞与二氧化硅分形结构纳米基底间增强的拓扑结构作用，实现了细胞快速、选择性粘附于纳米分形结构区域，形成各种形状细胞图案(Small 2015,11,No.42,5642–5646)。然而，利用化学刻蚀、离子刻蚀、气相沉积、电纺等技术制备纳米结构基底且图案化需要特殊的仪器设备、步骤繁杂、操作条件苛刻。因此，依然需要发展易于制备且具有稳定化学修饰的纳米结构基底快速、高效地形成细胞图案。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的制备方法，制备方法简单、条件温和。
本发明的目的之二在于提供一种多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的应用。
本发明实现目的之一所采用的方案是：一种多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的制备方法，包括以下步骤：
A1、制备多重分级结构磷酸锌纳米基底HZnPNS；
A2、以HZnPNS为模板，在其表面浇注液体聚二甲基硅氧烷预聚物及其交联剂，经加热固化成型，复制HZnPNS的表面结构；
A3、将固化的聚二甲基硅氧烷从HZnPNS表面剥离，洗涤、干燥后即得所述多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底HPNS。
优选地，所述步骤A1中，制备多重分级结构磷酸锌纳米基底HZnPNS的步骤为：
B1、将干净的基底表面用等离子体处理后均匀涂覆醋酸锌的乙醇溶液，最后，放于200～300℃加热台加热，产生一层氧化锌种子；
B2、将铺有氧化锌种子的基底倒置于硝酸锌和六亚甲基四胺水溶液中，在90～100℃下生长，得到氧化锌纳米线基底；
B3、将氧化锌纳米线基底在含镁离子的生理等渗磷酸缓冲液中，25～37℃孵育至基底表面铺满多重分级结构。
优选地，所述步骤A2中，聚二甲基硅氧烷预聚物与其交联剂的质量比为8-15:1。
优选地，所述步骤A2中，固化温度为50～75℃。
本发明实现目的之二所采用的方案是：一种所述的制备方法制备的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的应用，利用所述多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底形成细胞图案。
优选地，所述细胞图案化的方法，包括以下步骤：
C1、在HPNS表面涂覆可牺牲的光刻胶，而后光刻得到光刻胶图案化的HPNS；
C2、将光刻胶图案化的HPNS表面和多巴胺溶液孵育，进行聚多巴胺修饰；
C3、用去除HPNS表面的光刻胶及聚多巴胺，得到聚多巴胺图案化修饰的HPNS；
C4、将聚多巴胺图案化修饰的HPNS和细胞悬浮液孵育，洗涤后，即可以得到图案化细胞阵列。
优选地，所述步骤C1中，光刻胶为AZ4620。
优选地，所述步骤C2中，多巴胺溶液的规格为2mg/mL，10mM Tris buffer，pH8.5；孵育温度为25-37℃。
优选地，所述步骤C3中，采用溶剂溶解光刻胶，所述溶剂为丙酮。
本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明的制备方法简单、条件温和；
2.本发明制备的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底，可以借助光刻技术和可牺牲光刻胶，在其表面形成任意形状的聚多巴胺阵列；
3.本发明提供的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底，经表面修饰任意形状的聚多巴胺阵列后，可以快速、高效地形成任意形状的细胞图案。
附图说明
图1是本发明实施例1得到的多重分级结构磷酸锌纳米基底的扫描电镜图；
图2是本发明实施例1得到的多重分级结构磷酸锌纳米基底的原子力显微镜图；
图3是本发明实施例1得到的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的扫描电镜图；
图4是本发明实施例1得到的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的原子力显微镜图；
图5是本发明实施例2得到的光刻胶图案化的聚二甲基硅氧烷纳米基底的显微镜图；
图6是本发明实施例2得到的图案化细胞阵列。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底(HPNS)的制备
1、制备氧化锌纳米线基底：首先，将干净的玻璃基底表面用等离子体处理1～3min，而后置于匀胶机，2500rpm均匀旋涂10mM醋酸锌的乙醇溶液，最后，放于300℃加热台加热3h，产生一层氧化锌种子。第二步，将铺有氧化锌种子的玻璃基底倒置于50mM硝酸锌和六亚甲基四胺水溶液，90℃生长3h，得到氧化锌纳米线基底。
2、制备多重分级结构磷酸锌纳米基底(HZnPNS)：氧化锌纳米线基底在含10mM镁离子的生理等渗磷酸缓冲液中，37℃孵育，直到玻璃基底表面铺满多重分级结构。
3.制备多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底：
首先，在HZnPNS表面浇注液体聚二甲基硅氧烷预聚物A及其交联剂B(质量比10:1)，经加热固化(75℃，1～2h)，复制HZnPNS表面结构。然后，将固化PDMS从HZnPNS表面剥离，用稀盐酸洗涤PDMS表面携带的来自HZnPNS的杂质，而后再用水洗涤，氮气吹干，即可得到表面干净，具有多重分级结构的聚二甲基硅氧烷纳米基底材料。
图1是本实施例得到的多重分级结构磷酸锌纳米基底的扫描电镜图，数据由捷克TESCAN扫描电镜采集，由图中可以看出制得的磷酸锌基底呈现类似花形的多重分级结构。
图2是本实施例得到的多重分级结构磷酸锌纳米基底的原子力显微镜图，数据由日本精工SPA 400采集，所采区域的均方根粗糙度值是185.858nm；由图中可以看出制得的多重分级结构磷酸锌基底的粗糙度为纳米级。
图3是本实施例得到的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的扫描电镜图。数据由美国超高分辨率场发射扫描电镜FEI Verios 460采集。从图中可以看出，本发明制备的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底和多重分级结构磷酸锌纳米基底呈现类似的花形。
图4是本实施例得到的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的原子力显微镜图。数据由日本精工SPA 400采集。所采区域的均方根粗糙度值是193.820nm。由图中可以看出制得的多重分级结构聚二甲基硅氧烷基底的粗糙度为纳米级。
实施例2聚多巴胺图案化的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底用于细胞图案化
1.制备可牺牲光刻胶图案化的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底：首先，通过antoCAD软件设计任意形状，打印于光掩模。其次，在HPNS表面旋涂一层可牺牲的光刻胶AZ4620(前转600rpm/15s；后转1500rpm/30s)，完全盖HPNS表面形貌。经前烘(75℃/3min；105℃/5min)后，在光刻胶的表面放置光掩模，紫外曝光(48s)，显影，H2O清洗，N2吹干，得到光刻胶图案化的HPNS。
2.制备聚多巴胺图案化的多重分级结构聚二甲基硅氧纳米基底：首先，将光刻胶的图案化基底和多巴胺溶液(2mg/mL，10mM Tris buffer，pH8.5)室温孵育24h，进行聚多巴胺(PDA)修饰。然后，用丙酮溶解光刻胶，同时去掉光刻胶表面的聚多巴胺，而没有光刻胶覆盖区域的PDA修饰不受影响，如此，得到聚多巴胺图案化修饰的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底。
3.聚多巴胺图案化多重分级结构聚二甲基硅氧纳米基底诱导形成图案化细胞阵列：将PDA图案化修饰的HPNS和细胞悬浮液(104～107个/mL)孵育10～30min,用生理等渗磷酸缓冲液洗涤3次，再将细胞继续培养6h,细胞伸展很好，呈现图案化细胞阵列。
图5是本实施例得到的光刻胶图案化的聚二甲基硅氧烷纳米基底的显微镜图。数据由德国zeiss显微镜采集。由图中可以看出光刻胶很好地黏附于基底，且经紫外曝光，显影后能够很好的保留设计的图案。
图6是本实施例得到的图案化细胞阵列。数据由德国zeiss显微镜采集。从图中可以看出，细胞和本发明制备的聚多巴胺图案化多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底孵育20min，即可以形成图案化细胞阵列。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，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，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A1、制备多重分级结构磷酸锌纳米基底HZnPNS；
A2、以HZnPNS为模板，在其表面浇注液体聚二甲基硅氧烷预聚物及其交联剂，经加热固化成型，复制HZnPNS的表面结构；
A3、将固化的聚二甲基硅氧烷从HZnPNS表面剥离，洗涤、干燥后即得所述多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底HPNS。
2. 根据权利要求1所述的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的制备方法，其特征在于：所述步骤A1中，制备多重分级结构磷酸锌纳米基底 HZnPNS的步骤为：
B1、将干净的基底表面用等离子体处理后均匀涂覆醋酸锌的乙醇溶液，最后，放于200~300℃加热台加热，产生一层氧化锌种子；
B2、将铺有氧化锌种子的基底倒置于硝酸锌和六亚甲基四胺水溶液中，在90~100℃下生长，得到氧化锌纳米线基底；
B3、将氧化锌纳米线基底在含镁离子的生理等渗磷酸缓冲液中，25~37℃孵育至基底表面铺满多重分级结构。
3.根据权利要求1所述的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的制备方法，其特征在于：所述步骤A2中，聚二甲基硅氧烷预聚物与其交联剂的质量比为8-15:1。
4.根据权利要求1所述的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的制备方法，其特征在于：所述步骤A2中，固化温度为50~75℃。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的制备方法制备的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的应用，其特征在于：利用所述多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底形成细胞图案。
6.根据权利要求5所述的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的应用，其特征在于：所述细胞图案化的方法，包括以下步骤：
C1、在HPNS表面涂覆可牺牲的光刻胶，而后光刻得到光刻胶图案化的HPNS；
C2、将光刻胶图案化的HPNS表面和多巴胺溶液孵育，进行聚多巴胺修饰；
C3、去除HPNS表面的光刻胶及聚多巴胺，得到聚多巴胺图案化修饰的HPNS；
C4、将聚多巴胺图案化修饰的HPNS和细胞悬浮液孵育，洗涤后，即可以得到图案化细胞阵列。
7.根据权利要求6所述的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的应用，其特征在于：所述步骤C1中，光刻胶为AZ4620。
8. 根据权利要求6所述的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的应用，其特征在于：所述步骤C2中，多巴胺溶液的规格为2mg/mL，10 mM Tris buffer，pH8.5；孵育温度为25-37℃。
9.根据权利要求6所述的多重分级结构聚二甲基硅氧烷纳米基底的应用，其特征在于：所述步骤C3中，采用溶剂溶解光刻胶，所述溶剂为丙酮。
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