一种取向微图案化导电膜的制备方法、导电膜及应用

1.本发明涉及取向微图案化导电膜技术领域，尤其是指一种取向微图案化导电膜及其制备方法与应用。


背景技术：

2.定向冷冻法是通过平移温度梯度控制材料定向凝固的方法。在此阶段，冷冻速度和温度梯度解耦并独立控制。定向冷冻法在工业中应用较广，例如冷冻铸造、金属加工、生物低温保存和土壤冻结。对于材料科学和生物学研究而言，了解冻结过程是重要方向，例如冷冻铸造或冰模板化材料制造方法中，冰晶的生长会形成悬浮胶体。1965年，一种用于研究透明有机化合物凝固的平移温度梯度过程，作为研究金属凝固的模型系统。1980年，该装置用于生物样品的冷冻保存研究。如今，该装置用于冰晶生长的3d成像、陶瓷的模板化以及细胞冷冻保存的研究。
3.在制造具有各向异性的特性材料时，定向冷冻法是最方便、用途最广泛的一种方式。动物的生物组织，如肌腱、肌肉等具有各向异性结构和相应力学性能，可用于研究具有各向异性质的生物材料在组织工程和器官重建领域的应用。
4.神经支架的微结构会影响细胞增殖，对于构建神经修复功能材料非常重要。为提高中空管的治疗效果，已引入多种填充剂。例如，明胶或胶原蛋白海绵具有相互连通的孔，这些填充剂适用于细胞粘附、增殖以及促进轴突再生，但海绵支架孔道的无序性会限制轴突定向延伸至远端靶器官，导致其延伸方向不确定。


技术实现要素：

5.为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种微图案形貌均匀、取向性强的取向微图案化导电膜的制备方法、导电膜及应用。
6.为解决上述技术问题，本发明还提供了一种取向微图案化导电膜的制备方法，包括以下步骤：
7.步骤s1：搅拌溶质与溶剂的混合液，而后通过过滤膜对混合液进行抽滤，得到基础膜，所述溶质包括胶原蛋白和纳米粒子；
8.步骤s2：将基础膜纵向下降，通过冷冻液将基础膜定向凝固，制备为具有取向微图案的导电膜，所述导电膜的表面具有取向平行排列的条形微图案，所述条形微图案包括交替排列的条形凸起和条形凹槽；
9.步骤s3：通过酰胺反应将含羧基基团的分子或含氨基基团的分子连接到导电膜上取向微图案的条形凸起的胶原蛋白分子上，形成导电膜上微图案的选择性药物涂层。
10.作为本发明的进一步改进，所述步骤s1中，搅拌时长为0.5
‑
8小时，所述过滤膜的孔径为0.22
‑
0.45μm，所述抽滤时间为2
‑
48小时。
11.作为本发明的进一步改进，所述步骤s2中，基础膜的下降速度为0.01
‑
100mm/min，所述冷冻液为液氮。
12.作为本发明的进一步改进，所述步骤s2中，所述条形凸起与条形凹槽的宽度为5
‑
500μm。
13.作为本发明的进一步改进，所述步骤s3中，所述含羧基基团的分子选自肝素、硫酸乙酰肝素、k4多糖、脱果糖k4多糖、软骨素、不同亚型硫酸软骨素、硫酸皮肤素、透明质酸、唾液酸其中一种或多种。
14.为解决上述技术问题，本发明提供了一种取向微图案化导电膜，应用上述改进中任一项制备方法得到。
15.作为本发明的进一步改进，所述溶剂包括edc、nhs、mes，所述溶质包括以下质量比的原料：胶原蛋白1％
‑
99％，纳米粒子1％
‑
99％；所述溶质与溶剂的总质量比为1:800
‑
1:80。
16.作为本发明的进一步改进，所述溶剂包括edc、nhs、mes，所述溶质包括以下质量比的原料：胶原蛋白50％，纳米粒子50％；所述溶质与溶剂的总质量比为1:500。
17.作为本发明的进一步改进，所述纳米粒子为纤维素纳米晶须或甲壳素纳米晶体。
18.为解决上述技术问题，本发明还提供了一种取向微图案化导电膜的应用，采用上述改进中任一项取向微图案化导电膜来组织体内细胞的方向性排列。
19.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
20.本发明的一种取向微图案化导电膜，膜表面微图案形貌均匀，由条形凸起和条形凹槽平行排列而成，取向性强，便于参考研究诱导细胞发生取向性生长的行为；
21.本发明的一种取向微图案化导电膜的制备方法，通过冷冻液将基础膜定向冷冻，而后利用酰胺反应将含羧基或氨基基团的分子结合到条形凸起表面，实现微图案的选择性药物涂层，便于参考研究药物诱导细胞生长行为；
22.本发明的一种取向微图案化导电膜的应用，通过对细胞进行诱导取向生长，应用于体内细胞具有方向性生长特点的组织，有助于组织修复，以达到临床要求。
附图说明
23.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
24.图1是本发明优选实施例中取向图案化导电膜的制备方法的流程示意图；
25.图2是本发明实施例一制备得到的取向微图案化导电膜的激光共聚焦显微镜图；
26.图3是本发明实施例二制备得到的取向微图案化导电膜的激光共聚焦显微镜图；
27.图4是本发明实施例三制备得到的取向微图案化导电膜进行药物涂层并于神经元细胞培养的免疫荧光图。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
29.需要说明的是，当元件被称为“设置于”、“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当元件被称为“固设于”另一个元件，或与另一个元件“固定连接”，它们之间可以是可拆卸固定方式也可以是不可拆卸的固定方式。当一个元
件被认为是“连接”、“转动连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
30.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方式的目的，不是旨在约束本发明。本文所使用的术语“及/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。
31.本发明中所述“第一”、“第二”、“第三”等类似用于不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。
32.在一些实施例中，参照图1所示，本发明的一种取向微图案化导电膜的制备方法，包括以下步骤：
33.步骤s1：搅拌溶质与溶剂的混合液，而后通过过滤膜对混合液进行抽滤，得到基础膜，所述溶质包括胶原蛋白和纳米粒子；
34.步骤s2：将基础膜纵向下降，通过冷冻液将基础膜定向凝固，制备为具有取向微图案的导电膜，导电膜的表面具有取向平行排列的条形微图案，条形微图案包括交替排列的条形凸起和条形凹槽；需要说明的是，微图案中条形凸起与条形凹槽的尺寸由定向冷冻法过程中冷冻材料的下降速度、膜材料中胶原蛋白与纳米粒子的配比决定，当下降速度越慢、胶原蛋白的占比越多时，条形凸起的间距越小；反之，当下降速度越快、胶原蛋白的占比越少时，条形凸起的间距越大。
35.步骤s3：通过酰胺反应将含羧基基团的分子或含氨基基团的分子连接到导电膜上取向微图案的条形凸起的胶原蛋白分子上，形成导电膜上微图案的选择性药物涂层。
36.步骤s1中，搅拌时长为0.5
‑
8小时，过滤膜的孔径为0.22
‑
0.45μm，抽滤时间为2
‑
48小时。胶原蛋白与纳米粒子的比例不同，导致两者的混合物粘稠度不同，则所需要的搅拌时长与抽滤时间不同，当胶原蛋白的占比越高时，所需的搅拌时间和抽滤时间就越长；反之，当胶原蛋白的占比越低时，所需的搅拌时间和抽滤时间就越短。需要说明的是，过滤膜的孔径越小，则能够拦截的物质就越多，相应的抽滤时间就越长。
37.步骤s2中，基础膜的下降速度为0.01
‑
100mm/min，冷冻液为液氮。基础膜的下降速度会影响微图案成型后，其上的条形凸起的间距，当下降速度越快时，条形凸起的间距就越大，当下降速度越慢时，条形凸起的间距就越小。
38.步骤s2中，条形凸起与条形凹槽的宽度为5
‑
500μm。当胶原蛋白的占比越高时，条形凸起的宽度就越宽，当胶原蛋白的占比越低时，条形凸起的宽度就越窄。
39.步骤s3中，含羧基基团的分子选自肝素、硫酸乙酰肝素、k4多糖、脱果糖k4多糖、软骨素、不同亚型硫酸软骨素、硫酸皮肤素、透明质酸、唾液酸其中一种或多种。
40.在一些实施例中，本发明的一种取向微图案化导电膜，应用上述实施例中任一项制备方法得到。
41.在其中一实施例中，溶剂包括edc、nhs、mes，溶质包括以下质量比的原料：胶原蛋白1％
‑
99％，纳米粒子1％
‑
99％；溶质与溶剂的总质量比为1:800
‑
1:80。需要说明的是，edc为1
‑
(3
‑
二甲氨基丙基)
‑3‑
乙基碳二亚胺，nhs为n
‑
羟基琥珀酰亚胺，mes为2
‑
吗啉乙磺酸，三者形成混合液。溶质的总质量越低，溶质与溶剂的总质量比就越低，制备得到的导电膜就
越薄，强度更低；溶质的总质量越高，溶质与溶剂的总质量比就越高，制备得到的导电膜就越厚，强度更高，相应的成本就增加。
42.实施例一：
43.优选的，溶剂包括edc、nhs、mes，溶质包括以下质量比的原料：胶原蛋白50％，纳米粒子50％；溶质与溶剂的总质量比为1:500。胶原蛋白与纳米粒子的质量比为1:1，将胶原蛋白溶液和聚吡咯修饰的聚甘油化纤维素纳米晶须在edc
‑
nhs
‑
mes溶液中混合2小时，在多孔陶瓷支架上通过纤维素酯滤膜进行抽滤，混合溶液的体积为60ml，并且在0.09mpa的气压与室温条件下将混合物溶液抽滤8小时，最后使用超纯水进行抽滤洗涤3次，即可得到物料质量比为1:1的胶原蛋白与聚吡咯修饰的聚甘油化纤维素纳米晶须膜材料，需要说明的是，edc
‑
nhs
‑
mes溶液中有20mmol/l的edc、12mmol/l的nhs和25mmol/l的mes，此外，纤维素酯滤膜的直径优选为50mm，孔径优选为0.22μm。
44.而后，参照图2所示，将质量比为1:1的胶原蛋白与聚吡咯修饰的聚甘油化纤维素纳米晶须膜材料纵向固定在夹具上，以2mm/min的速度从液氮上表面向液氮中缓慢浸入，直至膜材料完全没入液氮后，取出膜材料并冻干，最终得到了取向微图案化的胶原蛋白与聚吡咯修饰的聚甘油化纤维素纳米晶须膜材料。对此膜进行京尼平染色，京尼平可特异性染上胶原蛋白成分，京尼平染色结果表明微图案的凸起主要由胶原蛋白组成。
45.实施例二：
46.胶原蛋白与纳米粒子的质量比优选为1:1，将胶原蛋白溶液和聚吡咯修饰的聚甘油化纤维素纳米晶须在edc
‑
nhs
‑
mes溶液中混合2小时，在多孔陶瓷支架上通过纤维素酯滤膜进行抽滤，混合溶液的体积为60ml，并且在0.09mpa的气压与室温条件下将混合物溶液抽滤8小时，最后使用超纯水进行抽滤洗涤3次，即可得到物料质量比为1:1的胶原蛋白与聚吡咯修饰的聚甘油化纤维素纳米晶须膜材料，需要说明的是，edc
‑
nhs
‑
mes溶液中有20mmol/l的edc、12mmol/l的nhs和25mmol/l的mes，此外，纤维素酯滤膜的直径优选为50mm，孔径优选为0.22μm。
47.而后，参照图3所示，将质量比为1:1的胶原蛋白与聚吡咯修饰的聚甘油化纤维素纳米晶须膜材料纵向固定在夹具上，以3mm/min的速度从液氮上表面向液氮中缓慢浸入，待膜材料完全浸入液氮后，取出膜材料并冻干，最终得到取向微图案化的胶原蛋白与聚吡咯修饰的聚甘油化纤维素纳米晶须膜材料。对此膜进行京尼平染色，相对于上一实施例，该实施例中的膜材料的下降速度较快，因而微图案中条形凸起的间距相对更大。
48.实施例三：
49.胶原蛋白与纳米粒子的质量比优选为1:1，将胶原蛋白与聚吡咯修饰的聚甘油化纤维素纳米晶须在edc
‑
nhs
‑
mes溶液中混合2小时，在多孔陶瓷支架上通过纤维素酯滤膜进行抽滤，混合溶液的体积为60ml，并且在0.09mpa的气压与室温条件下将混合物溶液抽滤8小时，最后使用超纯水进行抽滤洗涤3次，即可得到物料质量比为1:1的胶原蛋白与聚吡咯修饰的聚甘油化纤维素纳米晶须膜材料。
50.而后，参照图2和图4所示，将质量比为1:1的胶原蛋白与聚吡咯修饰的聚甘油化纤维素纳米晶须膜材料纵向固定在夹具上，以2mm/min的速度从液氮上表面向液氮中缓慢浸入，待膜材料完全浸入液氮后，取出膜材料并冻干，最终得到取向微图案化的胶原蛋白与聚吡咯修饰的聚甘油化纤维素纳米晶须膜材料。对此膜进行京尼平染色，从图1中可以看出，
微图案的条形凸起主要由胶原蛋白组成。利用edc
‑
nhs交联剂，将硫酸软骨素e通过酰胺反应结合到条形凸起的胶原蛋白上，利用硫酸软骨素e对神经元再生活性的促进作用，对该膜材料进行海马神经元细胞的体外培养。图3中的大量轴突发生明显的取向性生长，即该膜材料能够诱导和促进神经元发生取向性生长。
51.在一些实施例中，纳米粒子为纤维素纳米晶须或甲壳素纳米晶体。需要说明的是，纳米粒子还可以采用一种或多种纤维素纳米晶须的衍生物，例如氧化纤维素纳米晶须、氨基化纤维素纳米晶须、超支化聚甘油化纤维素纳米晶须、聚吡咯修饰的聚甘油化纤维素纳米晶须。
52.本发明的一种取向微图案化导电膜的应用，采用上述实施例中任一项取向微图案化导电膜来组织体内细胞的方向性排列。
53.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。