CN113865760A - 一种用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜的制备方法，选用生物相容性良好、拉伸性能强的热塑性材料配置成溶液，均匀旋涂于等离子体处理过的玻璃片上，加热使溶剂挥发，获得固化的柔性薄膜基底；利用一块微米级的沟槽结构模板、一块有序排列的纳米级圆柱结构模板，将柔性薄膜基底夹在两块模板之间放入纳米热压印仪器中，通过一步法获得用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜。本发明赋予了该薄膜典型的结构色和特征反射峰，能真实有效的模拟体内心肌细胞的排列方式，随着心肌细胞的跳动表现为上层二维光子晶体结构色的变化，进而根据特征反射峰的位移对其进行定量，将微观的力转化为宏观的结构色变化，方便快捷，应用性强。
Description
技术领域
本发明涉及生物医用材料技术领域，尤其涉及一种用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜的制备方法。
背景技术
细胞力学在生物体内扮演者奇迹重要的作用，其能够调节细胞和组织水平的生物学功能。细胞异常的力学表现通常会影响体内功能的失调，因此，细胞力学已经逐渐被视为疾病评价的一个要素。为了有效的测量细胞力学，科研人员已经开发了一些力学检测技术，如原子力显微镜、牵引力显微镜、弹性微柱阵列检测等。
尽管上述这些方法在生物力学测定和亚细胞结构观察方面具有很大优势，但这些技术大多依赖于复杂的设备，繁琐的工作，以及模拟计算，这些往往费用要求高且耗时。此外，有些技术甚至还可能在测量过程中对细胞造成机械损伤，导致结果可信度下降。因此，仍然需要寻求一种有效的动态感知细胞力生成的简单方法。
因此，在本发明中，基于精密的微纳加工技术，设计发明了一种用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜，该薄膜兼具微米级沟槽结构和纳米级二维光子晶体结构。上表面的二维光子晶体结构赋予了该薄膜具有典型的结构色和特征反射峰；下表面的微米级沟槽结构能够有效的诱导心肌细胞取向生长。将该各向异性结构色薄膜用于心肌力学传感，心肌细胞种植于沟槽侧，随着心肌细胞的跳动表现为二维光子晶体结构色的变化，进而根据特征反射峰的位移对其进行定量，从而将微观的力转化为宏观的结构色变化。该方法能够实现动态的细胞力学检测，简单便捷，具有广泛的应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜的制备方法，本发明通过将微观的细胞力学转换为宏观的结构色变化，从而实现细胞力学的可视化传感。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜的制备方法，包括如下步骤：
1)制备柔性薄膜基底：选用生物相容性良好、拉伸性能强的热塑性材料，用有机溶剂配置成一定浓度的溶液，然后用旋涂法将溶液均匀旋涂于等离子体处理过的玻璃片上，然后放在热台上加热使溶剂挥发，获得固化的柔性薄膜基底；
2)制备用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜：利用精密加工的两块模板，一块为微米级的沟槽结构，一块为有序排列的纳米级圆柱结构，将柔性薄膜基底夹在两块模板之间，其中沟槽模板在下侧，一起放入纳米热压印仪器中，调节参数，通过一步法获得用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜。
进一步的，步骤1)中，所述的柔性薄膜基底材料为聚氨酯、硝酸纤维素中的一种；所述的有机溶剂为甲醇、二氯甲烷或N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种。
进一步的，步骤1)中，热塑性材料用有机溶剂配置成的溶液的浓度范围为7％(wt％)。
作为优选的方案，所述的等离子体处理时间为5min。
进一步的，步骤1)中，所述的热台的加热温度为65℃，加热时间为2h。
作为优选的方案，所述的柔性薄膜基底厚度为100μm。
进一步的，步骤2)中，所述的微米级沟槽结构的尺寸为10μm宽*10μm高。
进一步的，步骤2)中，所述的有序排列的纳米级圆柱结构尺寸为直径是200nm。
本发明还提供了一种通过上述制备方法制得的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜，其上表面的二维光子晶体结构赋予了该薄膜具有典型的结构色和特征反射峰；下表面的微米级沟槽结构能够有效的诱导心肌细胞取向生长。将该各向异性结构色薄膜用于心肌力学传感，心肌细胞种植于下层的沟槽侧，随着心肌细胞的跳动表现为上层二维光子晶体结构色的变化，进而根据特征反射峰的位移对其进行定量，从而将微观的力转化为宏观的结构色变化。
本发明还保护所述的各向异性结构色薄膜在利用二维光子晶体结构色定量分析中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明提供的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜的制备方法，利用典型的“自上而下”的方法，属于精密的微纳加工技术，因此制备得到的微米级沟槽结构和纳米级的二维光子晶体结构完整，精密性和准确度高；
2)本发明提供的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜，其上表面的二维光子晶体结构赋予了该薄膜具有典型的结构色和特征反射峰；下表面的微米级沟槽结构能够有效的诱导心肌细胞取向生长，促进细胞间信号的传递，促进细胞间紧密连接的形成，更真实有效的模拟体内心肌细胞的排列方式；
3)本发明提供的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜，在实际应用中，该薄膜的微米级沟槽结构用于心肌细胞的培养，随着心肌细胞的跳动表现为二维光子晶体结构色的变化，进而根据特征反射峰的位移对细胞力学进行定量，将微观的力转化为宏观的结构色变化，实现细胞力学的可视化传感，方便快捷，省去了繁琐的仪器操作，应用性强。
附图说明
图1为本发明的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜的制备示意图。
图2为本发明的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜的电镜图；其中a为微米级沟槽结构，标尺为20μm，b为纳米级孔洞结构，标尺为500nm。
图3为本发明的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜用于心肌细胞力学传感的应用；其中，a为各向异性结构色薄膜在异丙肾上腺素刺激下的光谱变化，b为各向异性结构色薄膜在异丙肾上腺素刺激下的跳动频率变化。
具体实施方式
为了使本领域技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
下述实施例中所使用的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所用的试剂、方法和设备，如无特殊说明，均为本技术领域常规试剂、方法和设备。
本发明提供了一种用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜的制备方法，包括如下步骤：
1)制备柔性薄膜基底：选用生物相容性良好，拉伸性能强的热塑性材料，如聚氨酯，硝酸纤维素等，用有机溶剂配置成一定浓度的溶液，然后用旋涂法将溶液均匀旋涂于等离子体处理过的玻璃片上，然后放在热台上加热使溶剂挥发，获得固化的柔性薄膜基底；
2)制备用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜：利用步骤1制备柔性薄膜基底，以及精密加工的两块模板，一块为微米级的沟槽结构，一块为有序排列的纳米级圆柱结构，将柔性薄膜基底夹在两块模板之间(沟槽模板在下侧)，一起放入纳米热压印仪器，调节参数，一步法获得用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜。
进一步地，所述的柔性薄膜基底材料为聚氨酯，硝酸纤维素中的一种。
进一步地，所述的有机溶剂为甲醇，二氯甲烷，N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种。
进一步地，所述的等离子体处理时间为5min。
进一步地，所述的热台的加热温度为65℃，加热时间为2h。
进一步地，所述的柔性薄膜基底厚度为100μm。
进一步地，所述的微米级沟槽结构的尺寸为10μm*10μm，宽*高。
进一步地，所述的有序排列的纳米级圆柱结构尺寸为直径是200nm。
本发明提供的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜，其上表面的二维光子晶体结构赋予了该薄膜具有典型的结构色和特征反射峰；下表面的微米级沟槽结构能够有效的诱导心肌细胞取向生长。将该各向异性结构色薄膜用于心肌力学传感，心肌细胞种植于下层的沟槽侧，随着心肌细胞的跳动表现为上层二维光子晶体结构色的变化，进而根据特征反射峰的位移对其进行定量，从而将微观的力转化为宏观的结构色变化。该方法操作简单，无需复杂的仪器设备，具有极大的开发潜力。
以下为实施例：
实施例1
一种以聚氨酯为骨架材料的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜，按照如下方法制备：
(1)聚氨酯预凝胶溶液的配制
将固态或半固态的聚氨酯溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，终浓度为6wt％，将该混合溶液放置于磁力搅拌器上，65℃混合搅拌直至聚氨酯完全溶解，获得均匀的聚氨酯预凝胶溶液。
(2)柔性薄膜基底的制备
将干净的玻璃片用等离子体处理5min，然后将配置的聚氨酯溶液以旋涂法在玻璃片表面制备成薄膜，将该薄膜放于65℃的热台上加热2h，通过溶剂挥发法使薄膜固化，获得柔性薄膜基底。
(3)各向异性结构色薄膜的制备
将上一步中制备的柔性薄膜基底、微米级凹槽模板和纳米级圆柱模板构成“三明治模型”，其中微米级凹槽模板置于最下层，中间层为柔性薄膜基底，最上层为纳米级圆柱模板，一起放入纳米压印仪，设置纳米压印仪运行参数，一步法制备得到各向异性结构色薄膜。
(4)各向异性结构色薄膜的表征
利用扫描电子显微镜对各向异性结构色薄膜进行结构表征，观察到各向异性结构色薄膜上层为有序排列的纳米级六方孔结构(孔直径为200nm)，下层为微米级的凹槽结构(10μm*10μm，高*宽)。
实施例2
一种以硝酸纤维素为骨架材料的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜，按照如下方法制备：
(1)硝酸纤维素凝胶溶液的配制
将固态的硝酸纤维素溶解于丙酮和N,N-二甲基甲酰胺混合溶剂中(1:1，v/v)，终浓度为7％(wt％)，将该混合溶液放置于磁力搅拌器上，混合搅拌直至硝酸纤维素完全溶解，获得均匀的硝酸纤维素预凝胶溶液。
(2)柔性薄膜基底的制备
将干净的玻璃片用等离子体处理5min，然后将配置的硝酸纤维素溶液以旋涂法在玻璃片表面制备成薄膜，将该薄膜放于65℃的热台上加热2h，通过溶剂挥发法使薄膜固化，获得柔性薄膜基底。
(3)各向异性结构色薄膜的制备
将上一步中制备的柔性薄膜基底、微米级凹槽模板和纳米级圆柱模板构成“三明治模型”，其中微米级凹槽模板置于最下层，中间层为柔性薄膜基底，最上层为纳米级圆柱模板，一起放入纳米压印仪，设置纳米压印仪运行参数，一步法制备得到各向异性结构色薄膜。
(4)各向异性结构色薄膜的表征
利用扫描电子显微镜对各向异性结构色薄膜进行结构表征，观察到各向异性结构色薄膜上层为有序排列的纳米级六方孔结构(孔直径为200nm)，下层为微米级的凹槽结构(10μm*10μm，高*宽)。
实施例3
各向异性结构色薄膜用于心肌细胞力学测试：
以实施例2制备的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜为例，用75％的酒精将购买的新生1-3天的SD大鼠进行消毒处理，然后转移入超净台，用手术剪开胸取出心脏，然后用PBS溶液清洗掉多余的组织和血块，将心脏剪碎，加入消化酶消化心脏组织块，最终获得原代的大鼠心肌细胞；
将用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜放置于6孔板中，置于超净台中紫外杀菌过夜，确保其完全无菌，然后将提取的心肌细胞计数并种植于各向异性结构色薄膜的沟槽侧，24h之后细胞贴壁，之后每天更换培养液，到第3天向培养液中加入异丙肾上腺素观察心肌细胞跳动频率的变化，记录光谱变化，直接反映出心肌细胞的动态力学变化。
结果如图3所示，心肌细胞在受到异丙肾上腺素刺激之后跳动频率明显加快，光谱位移显著增加，结构色的变化区域更大，所观察到的颜色变化越明显。以上结果表明，用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜，其上表面的二维光子晶体结构赋予了该薄膜具有典型的结构色和特征反射峰；下表面的微米级沟槽结构能够有效的诱导心肌细胞取向生长。将该各向异性结构色薄膜用于心肌力学传感，心肌细胞种植于下层的沟槽侧，随着心肌细胞的跳动表现为上层二维光子晶体结构色的变化，进而根据特征反射峰的位移对其进行定量，从而将微观的力转化为宏观的结构色变化。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)制备柔性薄膜基底：选用生物相容性良好、拉伸性能强的热塑性材料，用有机溶剂配置成一定浓度的溶液，然后用旋涂法将溶液均匀旋涂于等离子体处理过的玻璃片上，然后放在热台上加热使溶剂挥发，获得固化的柔性薄膜基底；
2)制备用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜：利用精密加工的两块模板，一块为微米级的沟槽结构，一块为有序排列的纳米级圆柱结构，将柔性薄膜基底夹在两块模板之间，其中沟槽模板在下侧，一起放入纳米热压印仪器中，调节参数，通过一步法获得用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜。
2.根据权利要求1所述的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述的柔性薄膜基底材料为聚氨酯、硝酸纤维素中的一种；所述的有机溶剂为甲醇、二氯甲烷或N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜的制备方法，其特征在于：步骤1)中，热塑性材料用有机溶剂配置成的溶液的浓度范围为7wt％。
4.根据权利要求1所述的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜的制备方法，其特征在于：所述的等离子体处理时间为5min。
5.根据权利要求1所述的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述的热台的加热温度为65℃，加热时间为2h。
6.根据权利要求1所述的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜的制备方法，其特征在于：所述的柔性薄膜基底厚度为100μm。
7.根据权利要求1所述的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述的微米级沟槽结构的尺寸为10μm宽*10μm高。
8.根据权利要求1所述的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述的有序排列的纳米级圆柱结构尺寸为直径是200nm。
9.采用权利要求1-8任一项所述方法制备的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜，其特征在于：所述的用于心肌力学传感的各向异性结构色薄膜兼具微米级沟槽结构和纳米级二维光子晶体结构；上表面的二维光子晶体结构赋予了该薄膜具有典型的结构色和特征反射峰；下表面的微米级沟槽结构能够有效的诱导心肌细胞取向生长；将该各向异性结构色薄膜用于心肌力学传感，心肌细胞种植于下层的沟槽侧，随着心肌细胞的跳动表现为上层二维光子晶体结构色的变化，进而根据特征反射峰的位移对其进行定量，从而将微观的力转化为宏观的结构色变化。
10.权利要求9所述的各向异性结构色薄膜在利用二维光子晶体结构色定量分析中的应用。
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