基于微流控技术制备具球棒结构的海藻酸钙微纤维的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新型材料技术与微流控技术的交叉领域，具体涉及一种基于微流控技术制备具球棒结构的海藻酸钙微纤维的方法。
【背景技术】
[0002]本发明以微流控技术为依托。微流控芯片是一种在微小通道或构建中操控微小体积流体流动的系统，其中通道和构件的尺度为几十到几百微米。微流控芯片的各个操作单元通过微通道网络内流体的流动相互联系，流体在该微通道网络内按一定的方式流动，微流控芯片就可从整体上实现特定的功能。微流控芯片技术在生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等方面应用广泛。近几年来随着材料科学、微纳米加工技术的发展，微流控芯片技术在微米级材料领域也取得了突破性进展。由于微流控芯片的高度集成化和均一性，使得微小尺寸、形貌多样、高度均一材料结构的制备得以实现，在生物医学和材料领域具备很大的发展前景。
[0003]纤维是指由连续或不连续的细丝组成的物质，具有弹性模量大，塑性形变小，强度高等特点。人体的多级结构(血管、肌纤维、神经束、肝细胞索等)都是由纤维结构组成，因此纤维在维系组织方面起到重要作用。目前纤维材料的制备方法多以纺丝和微流控技术为主。纺丝可制备出亚微米级，甚至纳米级纤维，聚合物溶液经喷丝头细孔压出的多为单一组分的均一尺寸实心纤维丝，通过调节接收器路径形成各种形状的纤维材料，所形成的纤维材料是由许多纤维丝堆积成型；微流控技术可一次成型的制备出不同形状的亚微米级纤维，可制备出多孔、中空以及复杂的纤维结构，可实现单组分或多组分的纤维的制备。微流控技术以其高度集成化、小而精细的平台优势，在纤维材料的研究中占主导地位。
[0004]海藻酸钠类似于细胞外基质中的糖胺聚糖，具备良好的生物相容性。海藻酸钠容易与一些二价阳离子结合，形成凝胶，海藻酸钠与Ca2+螯合，能够形成稳定的海藻酸钙凝胶。由于海藻酸钠温和的溶胶凝胶性质，使得微流控技术制备海藻酸钙纤维成为可能。目前，通过微流控技术可实现不同尺寸海藻酸钙纤维的制备，可实现中空海藻酸钙纤维的制备，可作为释放或包埋药物、蛋白与细胞的载体，模拟体内微结构。微流控技术与生物材料相结合，可实现各种微结构的制备，在生物医学和组织工程领域具有很大的发展前景。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种基于微流控技术制备具球棒结构的海藻酸钙微纤维的方法，本发明制备过程稳定，产物形貌均一可控，操作简单。
[0006]本发明采用液滴微流控装置产生大小均一的油相液滴，并呈线形排列于连续相海藻酸钠溶液中。将包涵有油相液滴的海藻酸钠溶液借由微流控装置的液体喷口连续通入到异丙醇中，异丙醇的极性(3.9)比水(9.0)弱，在低极性溶剂中离子型聚合物由于离子偶极子的吸引力作用容易发生聚集，因此，海藻酸钠溶液通入异丙醇溶液中，发生脱水聚集，海藻酸钠溶质析出固化，形成海藻酸钠固体纤维，并呈现出串联的球棒形态；将固化的海藻酸钠纤维浸没在高浓度氯化钙溶液中使海藻酸钠与钙离子螯合生成稳定的海藻酸钙纤维。本发明所述油相液滴为不溶于水亦不溶于异丙醇的液体，在海藻酸钠溶液通入到异丙醇中后，油相液滴被固定在海藻酸钠纤维中，并沿着纤维呈线形排列。本发明所述液滴微流控装置能生成油相液滴，通过调节液滴分散相和连续相流速，控制油相液滴间的间距，使各个液滴间间隔固定距离或使各个液滴紧密相邻；液滴分散相流速范围是0.5ul/min-2ul/min,连续相流速范围是3ul/min-10ul/min ;液滴微流控装置的油相分散相单元可以适当增减，以增加或减少油相分散相种类。
[0007]本发明所述串联的球棒形态的形成，是由于海藻酸钠溶液内的油相液滴直径略小于由微流控装置液体喷口喷出的海藻酸钠溶液液流的直径，当海藻酸钠溶液通过喷口通入到异丙醇中后，析出固化的海藻酸钠纤维相对于海藻酸钠溶液液流在直径方向发生了剧烈的收缩，不同浓度的海藻酸钠溶液，收缩程度不同，浓度越小，收缩越剧烈；在没有油相液滴占位的纤维部位，形成了细“棒”形态，在有油相液滴占位的纤维部位，形成了粗“球”形态，“球” “棒”结构间隔排列，形成具有球棒结构的海藻酸钠纤维。本发明将形成的海藻酸钠球棒纤维浸没在氯化钙溶液中，使纤维转变为海藻酸钙纤维，能够使纤维形态结构更加稳定，防止当纤维浸没在水中或盐溶液中时，发生纤维溶胀变形甚至变成溶液。
【附图说明】
[0008]图1液滴微流控整体装置示意图。
[0009]图2液滴微流控芯片示意图。
[0010]其中I微流控芯片，2输送软管，3海藻酸钠溶液液体喷口，4油像液滴，5异丙醇溶液，11海藻酸钠溶液入口，12油相入口，13芯片出口，14油相液滴生成处。
[0011]图3生成具球棒结构海藻酸钙微纤维的原理示意图。
【具体实施方式】
:
[0012]实施例1
[0013]包含有均一尺寸液滴的具球棒结构的海藻酸钙微纤维的制备。
[0014]将矿物油通入芯片液滴分散相入口，液滴分散相和连续相流速分别设置为:
[0015]a.液滴分散相入口相对应的流速为0.5ul/min,连续相和十字型夹流通道海藻酸钠溶液的流速均为3ul/min ；
[0016]b.液滴分散相入口相对应的流速为lul/min，连续相和十字型夹流通道海藻酸钠溶液的流速均为6ul/min ；
[0017]c.液滴分散相入口相对应的流速为2ul/min，连续相和十字型夹流通道海藻酸钠溶液的流速均为10ul/min ；
[0018]实验使用浓度分别为I % (w/w) >2% (w/w) >4% (w/w)的海藻酸钠溶液,将芯片出口与含有异丙醇溶液的收集瓶瓶口保持垂直，芯片出口处浸没于异丙醇溶液液面下，出口宽、高皆为lOOum。通过注射泵推动注射器，使矿物油通过T形通道，形成尺寸均一的液滴，通过调节十字形夹流通道海藻酸钠溶液连续相流速，控制液滴间间距，将包涵有矿物油的海藻酸钠溶液借由微流控装置的液体喷口连续通入到异丙醇中，海藻酸钠发生脱水聚集现象，形成海藻酸钠纤维，将纤维浸入4% (w/w)氯化钙中，经过离子螯合作用，形成内部包含均一尺寸的矿物油液滴的球棒结构海藻酸钙微纤维。本实验通过正交试验，最终制备出9组海藻酸钙微纤维。
[0019]实施例2
[0020]具球棒结构海藻酸钙微纤维的细胞培养以及分析评价
[0021]利用实验室自行设计并制备的9组具球棒结构海藻酸钙微纤维，构型如图3所示。将9组球棒结构海藻酸钙微纤维分别进行乙醇梯度脱水(20%、40%、60%、80%、100% )，浸泡于75%乙醇，紫外灭菌2h，含有10%双抗的PBS溶液浸泡过夜，采用I型胶原进行表面修饰后球棒结构海藻酸钙微纤维接种NSCs细胞，接种密度为I X 16个/mL，24h细胞贴壁后换液，细胞培养3天后，细胞死活、凋亡等方面的相关染色，细胞增殖、分化检测，Image Pro软件分析。
【主权项】
1.一种基于微流控技术制备具球棒结构的海藻酸钙微纤维的方法，其特征在于: (1)利用液滴微流控装置产生大小均一的油相液滴，并呈线形排列于连续相海藻酸钠溶液中； (2)将包涵有油相液滴的海藻酸钠溶液借由微流控装置的液体喷口连续通入到异丙醇中，使海藻酸钠溶液脱水，海藻酸钠溶质析出固化，形成海藻酸钠固体纤维，并呈现出串联的球棒形态； (3)将固化的海藻酸钠纤维浸没在高浓度氯化钙溶液中使海藻酸钠与钙离子螯合生成稳定的海藻酸钙纤维；所述海藻酸钠溶液的浓度为I %-4% (w/w);所述氯化钙溶液的浓度为 4% (w/w)。2.按照权利要求1所述基于微流控技术制备具球棒结构的海藻酸钙微纤维的方法，其特征在于:所述油相液滴为不溶于水亦不溶于异丙醇的疏水液体(氟化油，FC-40)，在海藻酸钠溶液通入到异丙醇中后，油相液滴被固定在海藻酸钠纤维中，并沿着纤维呈线形排列。3.按照权利要求1所述基于微流控技术制备具球棒结构的海藻酸钙微纤维的方法，其特征在于:所述液滴微流控装置能够生成油相液滴，通过调节液滴分散相和连续相流速，控制油相液滴间间距，使各个液滴间间隔固定或使各个液滴紧密相邻；液滴分散相流速范围是 0.5ul/min-2ul/min,连续相流速范围是 3ul/min_10ul/min。4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于:所述串联的球棒形态的形成，是由于海藻酸钠溶液内的油相液滴直径略小于由微流控装置液体喷口喷出的海藻酸钠溶液液流的直径，当海藻酸钠溶液通过喷口通入到异丙醇中后,析出固化的海藻酸钠纤维相对于海藻酸钠溶液液流在直径方向发生了剧烈的收缩；不同浓度的海藻酸钠溶液，收缩程度不同，浓度越小，收缩越剧烈；在没有油相液滴占位的纤维部位，形成了细“棒”形态，在有油相液滴占位的纤维部位，形成了粗“球”形态，“球” “棒”结构间隔排列，形成具有球棒结构的海藻酸钠纤维。5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于:将形成的海藻酸钠球棒纤维浸没在氯化钙溶液中，使纤维转变为海藻酸钙纤维，能够使纤维形态结构更加稳定，防止当纤维浸没在水中或盐溶液中时，发生纤维溶胀变形甚至变成溶液。
【专利摘要】本发明提供了一种基于微流控技术制备具球棒结构的海藻酸钙微纤维的方法。该方法首先采用液滴微流控装置产生大小均一的油相液滴，并呈线形排列于连续相海藻酸钠溶液中；其次将包含有液滴的海藻酸钠溶液通过芯片出口连续通入异丙醇溶液中，海藻酸钠溶质析出，形成海藻酸钠纤维，将纤维浸入氯化钙中，经过离子螯合作用，形成内部包含均一尺寸油相液滴的球棒结构海藻酸钙微纤维。本发明的优点在于该液滴微流控装置可实现对上述海藻酸钙微纤维内部“球”型结构的排列，间距，大小的高度控制；可实现对上述海藻酸钙微纤维“棒”型结构直径的高度控制；可实现具球棒结构海藻酸钙微纤维的高度维持性和抗溶胀性。
【IPC分类】D01F9/00, D01F11/00
【公开号】CN105624832
【申请号】CN201410623961
【发明人】秦建华, 张晓庆, 于跃
【申请人】中国科学院大连化学物理研究所
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2014年11月7日