专利名称：一种微纳米拓扑智能膜及其制备方法
技术领域：
本发明属于膜材料领域，特别涉及智能膜及其制备方法。
背景技术：
纳米材料是上世纪80年代以来兴起的一个崭新的领域，由于具有独特的纳米效应，使其在各个领域得到广泛研究与应用，近年来在组织工程领域的研究正成为新的研究热点。组织工程的三要素是种子细胞、支架材料和生长调节因子，其中支架材料起中心作用。过去支架材料常常是从材料学角度出发进行设计，而不是从生物学角度来考虑宿主如何使植入材料整合、使组织重建，所以经常被生物体视为异物而排斥。为适应组织工程的要求，需要从仿生角度出发设计支架材料，使支架材料不仅要为特定的细胞提供结构支撑，还要使不同类型的细胞可以保持正确的接触方式，为细胞提供特殊的生长和分化信号，使细胞能表达正确的基因并进行分化，从而形成具有特定功能的新生组织成国祥，蔡志江.纳米结构组织工程支架材料.中国医学科学院学报，2002, ) :207-210。有研究表明微纳米尺度的拓扑结构与机体内细胞生长的自然环境极为相似，因此有关微纳米拓扑结构的构建以及对细胞行为影响的研究正形成一个热点领域和方向孟洁，朱广瑾.纳米拓扑结构的构建以及对细胞行为的影响.生物医学工程学杂志，2007，M (3) :685-689]0近年来研究者们对不同微纳米拓扑结构对细胞行为的影响进行了研究。国外如 Dalby 等Dalby MJ, Childs S， Riehle MO, et al. Fibroblast rection to island topography lchanges in cytoskeleton and morphology with time. Biomaterials, 2003,24(6) :1927-1932制备了表面分布有纳米级岛状结构的聚合物材料。研究发现岛状的弧性结构有利于细胞的粘附、定位和聚集，尤其是基因表达优于单纯的平面培养基。 Curtis 等Curtis AS，Gadegaard N，Dalby MJ,et al. Cells react to nanoscale order and symmetry in their surroundings. IEEE Trans Nanobioscience,2004,3(1) :61-66] 通过电子刻蚀技术在聚乙酸内酯或聚甲基丙烯酸甲酯表面制备有序排列的直角或六边形的纳米点，通过检测该拓扑结构对人类纤维母细胞的影响发现与不规则表面或平面的材料相比，细胞在具有规则纳米点结构的材料表面上的黏附明显降低。国内如路庆华等朱邦尚，路庆华等.不同的基质表面形貌对细胞生长行为的影响.细胞生物学杂志，2003， 25 (4) :228-230研究了不同几何轮廓的脊/沟状形貌结构和不同间距的柱状体对鼠C6神经胶质瘤细胞生长的影响。研究结果表明细胞在脊上贴壁生长而不是沟中，且沿着脊/沟的长轴方向趋向生长，而在平面的基质上细胞的生长是无序的。微纤和V-形沟槽形貌从外形上类似于体内细胞外基体中的胶原蛋白纤维，因此有利于细胞的贴壁和趋向生长；矩形沟槽形貌不利于细胞的贴壁。柱状体间距影响细胞的贴壁和铺展，进而影响细胞的生长行为；大的间距不利于细胞生长，当间距很小时，柱状体截面的几何轮廓影响细胞的行为。这些研究旨在构建理想的细胞-纳米材料界面，使纳米支架材料上培养的异体生物组织和细胞免受受体免疫系统识别排斥，能较长时间保持培养细胞的成活率并维持其功能，进一步提高纳米材料的生物相容性陈钟，吴振宇.纳米材料在组织工程中的应用研究.国外医学生物医学工程分册，2004，27 (5) :278-280。组织工程的核心是建立由细胞和生物材料构成的三维空间复合体，传统的组织工程做法是将培养的细胞片层或组织连同支架材料一起移植入主体，这样支架材料可能会被主体排斥或使主体发炎，并且要求支架材料必需无毒、在体内可生物降解等。为解决此问题研究者们进行了各种研究，如日本的OkanoHideyuki Hatakeyama, Teruo Okano, et al.Bio-functionalized thermoresponsive interfaces facilitating cell adhesion and proliferation. Biomaterials, 2006，27 :5069-5078]利用电子束辐照法将温敏性聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)接枝到组织培养用聚苯乙烯表面，利用温度改变调控细胞吸附/脱附，得到完整的细胞片层。POTPAAm的化学结构中具有亲水部分和疏水部分，其水溶液的最低临界温度(Lower critical solution temperature，LCST)为 32°C。当温度低于32°C时，PNIPAAm高分子链伸展，与水发生水合作用而溶于水；当温度高于32°C时， PNIPAAm高分子链收缩，进行脱水。当温度高于32°C时(常采用37°C，人的正常体温)， 材料表面表现疏水性，可以使各种细胞在其上吸附、铺展和分化，但当温度低于32°C时， PNIPAAm构型转变，表现亲水性，这样可以使形成的细胞片层完整地从培养板表面自然脱附，避免了酶解法对细胞造成的损伤，保持了其原有的功能。得到的完整细胞片层可以直接移植到受损的主体组织进行修复，不必连同细胞载体物质或支架材料一起植入体内，这样就避免了支架材料对主体所产生的各种不利影响Jos印h Yang, Masayuki Yamato, Teruo Okano, et al. Reconstruction of functional tissues with cell sheet ngineering. Biomaterials,2007，28 :5033_5043。采用细胞片层方法，取得了许多成就，如成功进行了组织工程眼角膜的重建，成功研制了人工气管等，但在研究中发现以温敏性PNIPAAm改性后的细胞培养板温度响应性缓慢，不能很快使细胞脱附。通过温度调控细胞的吸附/脱附，主要是通过改变温度，使修饰在细胞培养板表面的PNIPAAm发生构型转变，从而使表面发生亲/疏水性质的变化，达到对细胞吸/脱附的调控。要加快改性细胞培养板的温度响应性，需要表面的亲/疏水变化受温度影响灵敏，朱道本等Taolei Sun, Daoben Zhu，et al. Reversible switching between superhydrophilicity and superhydrophobicity. Surface Chemistry,2004, 43 :357-360将PNIPAAm修饰到具有不同纳米尺度凹槽的硅基底表面，研究了改性表面的温度响应性，研究结果表明当温度从25°C升高为40°C时，光滑基底改性表面的接触角由 63.5 士 2.6°，变为93.2 士 2°，而对于存在6 μ m宽、5 μ m深凹槽的粗糙改性表面，其接触角由0°变为149. 3士2. 5°，这些数据说明粗糙表面使润湿性的温度响应性大大提高；其研究结果还表明随温度变化，粗糙改性表面的亲/疏水性变化很快，只需几分钟，这种变化表现出很好的可逆性和稳定性。此研究结果，为制备快速响应温敏性细胞培养支架材料提供了新思路。综上分析，将温敏性进一步与微纳米拓扑结构有机结合，将具有温度响应性的 POTPAAm接枝到各种微纳米拓扑表面，用于细胞培养，为构建具有特定结构和功能的组织或器官提供理论基础和实验依据。
发明内容
本发明拟解决的技术问题是提供一种微纳米拓扑智能膜，该膜一方面通过微纳米拓扑结构的建立，模拟细胞体内生长微环境；另一方面通过温敏性PNIPAAm的修饰，使本发明的微纳米拓扑智能膜的温度响应范围为31°C _33°C，可实现细胞脱附智能化，并通过微结构的设计，提高智能膜的温度响应速率，从而加快细胞脱附速率。本发明微纳米拓扑智能膜可由以下方法制得，(1)微纳米拓扑膜的制备将聚苯乙烯(PS)溶于四氢呋喃，在具有拓扑结构的硅片上用刮膜法刮涂聚苯乙烯膜，真空干燥，得到PS拓扑膜，清洗干燥；(2)微纳米拓扑智能膜的制备将N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)溶于二甲基亚砜(DMSO)中，充氮气除去空气，PS 拓扑膜在氮气环境下用等离子体处理30s 120s，放入N-异丙基丙烯酰胺溶液中，继续维持氮气环境15min后密封，40 60°C水浴振荡2 Mh。清洗干燥；得到微纳米拓扑智能膜。本发明的微纳米拓扑智能膜的温度响应范围优选32°C。本发明的目的也在于提供一种微纳米拓扑智能膜制备方法，制备方法包括以下步骤(1)微纳米拓扑膜的制备将聚苯乙烯(PS)溶于四氢呋喃，在具有拓扑结构的硅片上用刮膜法刮涂聚苯乙烯膜，真空干燥，得到PS拓扑膜，清洗干燥；(2)微纳米拓扑智能膜的制备将N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)溶于二甲基亚砜(DMSO)中，充氮气除去空气，PS 拓扑膜在氮气环境下用等离子体处理30s 120s，放入N-异丙基丙烯酰胺溶液中，继续维持氮气环境10-15分钟后密封，40 60°C水浴振荡2 Mh。清洗干燥，得到微纳米拓扑智能膜。所述N-异丙基丙烯酰胺溶液质量百分比浓度为5% 30%。所述N-异丙基丙烯酰胺溶液质量百分比浓度为5% 20% ；步骤(1)中所述聚苯乙烯溶液浓度为0. 2 0. 5g/mL ；步骤(1)中所述真空干燥温度为30_40°C ；步骤(1)中所述真空干燥温度为优选37°C ；所述步骤⑵中水浴温度优选40°C，45°C或60°C ；所述清洗干燥步骤包括乙醇浸泡冲洗，蒸馏水浸泡，超声清洗，干燥。有益效果本发明所设计的微纳米拓扑智能膜具有良好的综合性能，POTPAAm在水中的LCST是32°C，本发明所制备的微纳米拓扑温敏膜由于接枝了 PNIPAAm，所以在32°C 附近发生亲疏水性的变化，通过将具有温度响应性的PNIPAAm接枝到各种微纳米拓扑表面，可实现细胞脱附智能化，当环境温度高于PNIPAAm的LCST(31_33°C )时，膜表面表现较强的疏水性，此表面利于细胞的吸附与增殖；当环境温度低于PNIPAAm的LCST时，膜表面表现较强的亲水性，有利于细胞的自动脱附。试验研究细胞是在常规的37°C培养，研究细胞片层的脱附时，为了使疏水表面变成亲水表面，使PNIPAAm分子链伸展，可将温度降至32°C以下。当环境温度低于PNIPAAm 的LCST时，膜表面表现较强的亲水性，POTPAAm分子链在低温下溶胀，从而使细胞从膜表面自动脱附，得到完整的细胞片层，避免了传统酶解法对细胞功能造成的损伤；并且通过微结构的设计，调节膜表面的粗糙度，可以增强膜表面的温度响应性，得到快速响应的智能膜， 使细胞快速脱附。另一方面，通过各种微纳米拓扑结构的构建，可以模拟细胞体内生长为环境，使不同类型的细胞保持正确的接触方式，为细胞提供特殊的生长和分化信号，使细胞能表达正确的基因并进行分化，从而形成具有特定功能的新生组织；可以从分子和细胞水平调控生物材料与细胞间的相互作用，从而引发特异性细胞反应，对于组织再生与修复存在潜在的应用前景，可促进组织工程向第三代生物材料——细胞和基因活化仿生材料的发展。由于所述的良好综合特性，本发明微纳米拓扑智能膜在组织工程支架材料、细胞培养基质材料等方面可以得到广泛应用。本发明所述制备方法工艺流程简单，实验条件温和，不需要特殊设备，投资成本低，具有良好的可操作性，且所用试剂均为常规试剂，反应残余物容易去除，便于工业化实施。
具体实施例方式以下给出本发明的具体实施例，但本发明不受实施例的限制。实施例1 (1)微纳米拓扑膜的制备将38g聚苯乙烯(PS)溶于IOOmL四氢呋喃，溶液浓度为0. 38g/mL,待PS完全溶解后，采用刮膜法在具有拓扑结构的硅片上刮膜，然后37°C真空干燥，得到PS拓扑膜，用无水乙醇浸泡，冲洗，以除去表面的杂质，再用蒸馏水浸泡，超声清洗，最后室温下干燥备用。(2)微纳米拓扑智能膜的制备将15g N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)溶于85g 二甲基亚砜(DMSO)中，溶液浓度为 15%，充氮气除去空气，将处理好的PS拓扑膜在氮气环境下用等离子体处理30s，立刻放入上述反应液中，继续通氮气15min后密封，放于水浴摇床，在60°C下振荡池，进行温敏修饰。 反应完毕，用无水乙醇浸泡，冲洗，以除去表面的杂质，再用蒸馏水浸泡，超声清洗，以除去未反应的小分子以及未修饰上的聚合物，最后室温下干燥，得目标微纳米拓扑智能膜。本发明所设计的微纳米拓扑智能膜温敏温度为32°C。实施例2 (1)微纳米拓扑膜的制备将20g聚苯乙烯(PS)溶于IOOmL四氢呋喃，溶液浓度为0. 2g/mL,待PS完全溶解后，采用刮膜法在具有拓扑结构的硅片上刮膜，然后37°C真空干燥，得到PS拓扑膜，用无水乙醇浸泡，冲洗，以除去表面的杂质，再用蒸馏水浸泡，超声清洗，最后室温下干燥备用。(2)微纳米拓扑智能膜的制备将20g N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)溶于80g 二甲基亚砜(DMSO)中，溶液浓度为 20%，充氮气除去空气，将处理好的PS拓扑膜在氮气环境下用等离子体处理60s，立刻放入上述反应液中，继续通氮气15min后密封，放于水浴摇床，在45°C下振荡证，进行温敏修饰。 反应完毕，用无水乙醇浸泡，冲洗，以除去表面的杂质，再用蒸馏水浸泡，超声清洗，以除去未反应的小分子以及未修饰上的聚合物，最后室温下干燥，得目标微纳米拓扑智能膜。本发明所设计的微纳米拓扑智能膜温敏温度为32°C。实施例3
(1)微纳米拓扑膜的制备将50g聚苯乙烯(PS)溶于IOOmL四氢呋喃，溶液浓度为0. 5g/mL,待PS完全溶解后，采用刮膜法在具有拓扑结构的硅片上刮膜，然后37°C真空干燥，得到PS拓扑膜，用无水乙醇浸泡，冲洗，以除去表面的杂质，再用蒸馏水浸泡，超声清洗，最后室温下干燥备用。(2)微纳米拓扑智能膜的制备将25g N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)溶于75g 二甲基亚砜(DMSO)中，溶液浓度为 25%，充氮气除去空气，将处理好的PS拓扑膜在氮气环境下用等离子体处理120s，立刻放入上述反应液中，继续通氮气IOmin后密封，放于水浴摇床，在40°C下振荡10h，进行温敏修饰。反应完毕，用无水乙醇浸泡，冲洗，以除去表面的杂质，再用蒸馏水浸泡，超声清洗，以除去未反应的小分子以及未修饰上的聚合物，最后室温下干燥，得目标微纳米拓扑智能膜。本发明所设计的微纳米拓扑智能膜温敏温度为32°C。实施例4 (1)微纳米拓扑膜的制备将38g聚苯乙烯(PS)溶于IOOmL四氢呋喃，溶液浓度为0. 38g/mL,待PS完全溶解后，采用刮膜法在具有拓扑结构的硅片上刮膜，然后37°C真空干燥，得到PS拓扑膜，用无水乙醇浸泡，冲洗，以除去表面的杂质，再用蒸馏水浸泡，超声清洗，最后室温下干燥备用。(2)微纳米拓扑智能膜的制备将30g N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)溶于70g 二甲基亚砜(DMSO)中，溶液浓度为 30%，充氮气除去空气，将处理好的PS拓扑膜在氮气环境下用等离子体处理30s，立刻放入上述反应液中，继续通氮气15min后密封，放于水浴摇床，在40°C下振荡证，进行温敏修饰。 反应完毕，用无水乙醇浸泡，冲洗，以除去表面的杂质，再用蒸馏水浸泡，超声清洗，以除去未反应的小分子以及未修饰上的聚合物，最后室温下干燥，得目标微纳米拓扑智能膜。本发明所设计的微纳米拓扑智能膜温敏温度为32°C。实施例5 (1)微纳米拓扑膜的制备将20g聚苯乙烯(PS)溶于IOOmL四氢呋喃，溶液浓度为0. 2g/mL,待PS完全溶解后，采用刮膜法在具有拓扑结构的硅片上刮膜，然后37°C真空干燥，得到PS拓扑膜，用无水乙醇浸泡，冲洗，以除去表面的杂质，再用蒸馏水浸泡，超声清洗，最后室温下干燥备用。(2)微纳米拓扑智能膜的制备将IOg N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)溶于90g 二甲基亚砜(DMSO)中，溶液浓度为 10%，充氮气除去空气，将处理好的PS拓扑膜在氮气环境下用等离子体处理60s，立刻放入上述反应液中，继续通氮气15min后密封，放于水浴摇床，在45°C下振荡Mh，进行温敏修饰。反应完毕，用无水乙醇浸泡，冲洗，以除去表面的杂质，再用蒸馏水浸泡，超声清洗，以除去未反应的小分子以及未修饰上的聚合物，最后室温下干燥，得目标微纳米拓扑智能膜。本发明所设计的微纳米拓扑智能膜温敏温度为32°C。实施例6 (1)微纳米拓扑膜的制备将50g聚苯乙烯(PS)溶于IOOmL四氢呋喃，溶液浓度为0. 5g/mL,待PS完全溶解后，采用刮膜法在具有拓扑结构的硅片上刮膜，然后37°C真空干燥，得到PS拓扑膜，用无水乙醇浸泡，冲洗，以除去表面的杂质，再用蒸馏水浸泡，超声清洗，最后室温下干燥备用。(2)微纳米拓扑智能膜的制备将5g N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)溶于95g 二甲基亚砜(DMSO)中，溶液浓度为 5%，充氮气除去空气，将处理好的PS拓扑膜在氮气环境下用等离子体处理120s，立刻放入上述反应液中，继续通氮气15min后密封，放于水浴摇床，在60°C下振荡Mh，进行温敏修饰。反应完毕，用无水乙醇浸泡，冲洗，以除去表面的杂质，再用蒸馏水浸泡，超声清洗，以除去未反应的小分子以及未修饰上的聚合物，最后室温下干燥，得目标微纳米拓扑智能膜。本发明所设计的微纳米拓扑智能膜温敏温度为31°C。实施例7 (1)微纳米拓扑膜的制备将38g聚苯乙烯(PS)溶于IOOmL四氢呋喃，溶液浓度为0. 38g/mL,待PS完全溶解后，采用刮膜法在具有拓扑结构的硅片上刮膜，然后37°C真空干燥，得到PS拓扑膜，用无水乙醇浸泡，冲洗，以除去表面的杂质，再用蒸馏水浸泡，超声清洗，最后室温下干燥备用。(2)微纳米拓扑智能膜的制备将15g N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)溶于85g 二甲基亚砜(DMSO)中，溶液浓度为 15%，充氮气除去空气，将处理好的PS拓扑膜在氮气环境下用等离子体处理30s，立刻放入上述反应液中，继续通氮气15min后密封，放于水浴摇床，在60°C下振荡10h，进行温敏修饰。反应完毕，用无水乙醇浸泡，冲洗，以除去表面的杂质，再用蒸馏水浸泡，超声清洗，以除去未反应的小分子以及未修饰上的聚合物，最后室温下干燥，得目标微纳米拓扑智能膜。本发明所设计的微纳米拓扑智能膜温敏温度为33°C。实施例8 (1)微纳米拓扑膜的制备将38g聚苯乙烯(PS)溶于IOOmL四氢呋喃，溶液浓度为0. 38g/mL,待PS完全溶解后，采用刮膜法在具有拓扑结构的硅片上刮膜，然后37°C真空干燥，得到PS拓扑膜，用无水乙醇浸泡，冲洗，以除去表面的杂质，再用蒸馏水浸泡，超声清洗，最后室温下干燥备用。(2)微纳米拓扑智能膜的制备将30g N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)溶于70g 二甲基亚砜(DMSO)中，溶液浓度为 30%，充氮气除去空气，将处理好的PS拓扑膜在氮气环境下用等离子体处理60s，立刻放入上述反应液中，继续通氮气15min后密封，放于水浴摇床，在45°C下振荡证，进行温敏修饰。 反应完毕，用无水乙醇浸泡，冲洗，以除去表面的杂质，再用蒸馏水浸泡，超声清洗，以除去未反应的小分子以及未修饰上的聚合物，最后室温下干燥，得目标微纳米拓扑智能膜。本发明所设计的微纳米拓扑智能膜温敏温度为32°C。
权利要求
1.一种微纳米拓扑智能膜，其特征在于所述微纳米拓扑智能膜温度响应范围为 31°C _33°C，所述微纳米拓扑智能膜可由下述方法制得(1)微纳米拓扑膜的制备将聚苯乙烯(PS)溶于四氢呋喃，在具有拓扑结构的硅片上用刮膜法刮涂聚苯乙烯膜， 真空干燥，得到PS拓扑膜，清洗干燥；(2)微纳米拓扑智能膜的制备将N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)溶于二甲基亚砜(DMSO)中，充氮气除去空气，PS拓扑膜在氮气环境下用等离子体处理30s 120s，放入N-异丙基丙烯酰胺溶液中，继续维持氮气环境15min后密封，40 60°C水浴振荡2 Mh，清洗干燥；得到微纳米拓扑智能膜。
2.如权1所述一种微纳米拓扑智能膜，其特征在于所述温度响应范围为32°C。
3.一种微纳米拓扑智能膜制备方法，包括如下步骤(1)微纳米拓扑膜的制备将聚苯乙烯(PS)溶于四氢呋喃，在具有拓扑结构的硅片上用刮膜法刮涂聚苯乙烯膜， 真空干燥，得到PS拓扑膜，清洗干燥；(2)微纳米拓扑智能膜的制备将N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)溶于二甲基亚砜(DMSO)中，充氮气除去空气，PS拓扑膜在氮气环境下用等离子体处理30s 120s，放入N-异丙基丙烯酰胺溶液中，继续维持氮气环境10-15分钟后密封，40 60°C水浴振荡2 Mh，清洗干燥，得到微纳米拓扑智能膜； 所述N-异丙基丙烯酰胺溶液质量百分比浓度为5% 30%。
4.如权1，3所述一种微纳米拓扑智能膜制备方法，其特征在于所述N-异丙基丙烯酰胺溶液质量百分比浓度为5% 20%。
5.如权1，3所述一种微纳米拓扑智能膜制备方法，其特征在于所述步骤(1)中聚苯乙烯溶液浓度为0. 2 0. 5g/mL。
6.如权1，3所述一种微纳米拓扑智能膜制备方法，其特征在于所述步骤(1)中真空干燥温度为30-40°C ；
7.如权1，3所述一种微纳米拓扑智能膜制备方法，其特征在于所述步骤(1)中真空干燥温度为优选37°C。
8.如权1，3所述一种微纳米拓扑智能膜制备方法，其特征在于所述步骤O)中水浴温度为 401，451或601。
9.如权1，3所述一种微纳米拓扑智能膜制备方法，其特征在于所述清洗干燥步骤包括乙醇浸泡冲洗，蒸馏水浸泡，超声清洗，干燥。
全文摘要
本发明公开了一种微纳米拓扑智能膜及其制备方法，本发明属于膜材料领域，特别涉及智能膜及其制备方法。所述微纳米拓扑智能膜温度响应范围为31℃-33℃，所述微纳米拓扑智能膜可由下述方法制得(1)微纳米拓扑膜的制备；(2)微纳米拓扑智能膜的制备将N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)溶于二甲基亚砜(DMSO)中，充氮气除去空气，拓扑膜在氮气环境下用等离子体处理30s～120s，放入N-异丙基丙烯酰胺溶液中，继续维持氮气环境15min后密封，水浴振荡，最后清洗干燥，得到微纳米拓扑智能膜。本发明所述制备方法工艺流程简单，实验条件温和，不需要特殊设备，投资成本低，便于工业化实施。
文档编号C08F120/54GK102250373SQ20111013888
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月27日 优先权日2011年5月27日
发明者聂萍萍, 贺晓凌, 赵义平, 陈莉 申请人:天津工业大学