本发明公开了一种具有取向结构的智能图案化聚合物表面的制备方法和应用。是采用可形成针状结晶的智能聚合物的单体,首先形成其过饱和溶液。向过饱和溶液中加入成核剂后,单体将以成核点(中心)为中心形成针状结晶,并迅速向四周扩散,形成具有取向结构的图案化表面。最后再通过光引发聚合即可得到各种所需的取向图案化温敏表面,该方法制备的温敏表面具有很高的应用价值。该方法克服了传统方法步骤繁琐的缺陷,也不需要昂贵的设备,同时所得的图案化表面性能优异,从而使温敏类材料的更为广泛的应用提供了广阔的空间。
1.具有取向结构的智能图案化聚合物表面的制备方法,其特征在于:具体步骤包括:1)将可形成针状结晶的智能聚合物的单体80-98%,光引发剂1-10%,交联剂1-10%溶解于易于挥发的溶剂中配成溶液;以上为质量百分比;2)将步骤1)中的溶液铺展在基质上,蒸发溶剂使所配单体溶液达到过饱和状态,形成过饱和溶液薄膜;3)在步骤2)所得的过饱和溶液薄膜中加入成核剂使单体结晶形成具有取向结构的图案化表面;4)将步骤3)所得图案化表面进行光引发聚合,即可得到所需要的取向图案化聚合物表面;所述的单体选自异丙基丙烯酰胺、甲基异丙基丙烯酰胺和羧基异丙基丙烯酰胺中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的具有取向结构的智能图案化聚合物表面的制备方法,其特征在于:所述的光引发剂为苯偶姻及衍生物类光引发剂、苯偶酰类光引发剂、烷基苯酮类光引发剂、酰基磷氧化物光引发剂、二苯甲酮类光引发剂、硫杂蒽酮类光引发剂和阳离子型光引发剂中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的具有取向结构的智能图案化聚合物表面的制备方法,其特征在于:所述的苯偶姻及衍生物类光引发剂选自安息香、安息香双甲醚、安息香乙醚、安息香异丙醚或安息香丁醚;苯偶酰类光引发剂选自二苯基乙酮或α,α-二甲氧基-α-苯基苯乙酮;所述的烷基苯酮类光引发剂选自α,α-二乙氧基苯乙酮、α-羟烷基苯酮或α-胺烷基苯酮;酰基磷氧化物光引发剂选自芳酰基膦氧化物或双苯甲酰基苯基氧化膦;二苯甲酮类光引发剂选自二苯甲酮、2,4-二羟基二苯甲酮或米蚩酮;硫杂蒽酮类光引发剂选自硫代丙氧基硫杂蒽酮或异丙基硫杂蒽酮;阳离子型光引发剂选自二芳基碘鎓盐、三芳基碘鎓盐、烷基碘鎓盐或异丙苯茂铁六氟磷酸盐。
4.根据权利要求1所述的具有取向结构的智能图案化聚合物表面的制备方法,其特征在于:所述的交联剂为含多双键的自由基型交联剂。
5.根据权利要求1所述的具有取向结构的智能图案化聚合物表面的制备方法,其特征在于:所述的成核剂为各种有机或无机物晶体、针尖、刀片、塑料或金属薄膜。
6.根据权利要求1所述的具有取向结构的智能图案化聚合物表面的制备方法,其特征在于:所述的溶剂为芳烃、卤化烃、烷烃、环烷烃、酮类、醇类、醚类和酯类中的一种。
7.根据权利要求1所述的具有取向结构的智能图案化聚合物表面的制备方法,其特征在于:所述的基质选自玻璃、石英、硅片和金属中的一种,也可以选自纸、塑料、橡胶、金属薄膜和不干胶带中的一种。
8.权利要求1所述制备方法获得的具有取向结构的智能图案化聚合物表面应用于获得片层组织细胞、各种图案化和具有取向结构的细胞及各种不同类型细胞的分离鉴别。技术领域
本发明属于功能材料技术领域,具体地说是一种具有取向结构的温敏图案化聚合物表面的制备方法,及其在生物材料领域的应用。相关背景智能材料由于可随外界刺激而作出响应,其研究近来受到了人们的高度重视。一个典型的例子是聚异丙基丙烯酰胺(Poly(N-isopropylacrylamid),PNIPAAm),在水环境下这种聚合物在其低临界溶解温度(lowerxa0criticalxa0solutionxa0temperature(LCST))附近(~32°C)由于分子内/分子间的氢键竞争会发生可逆的亲水/疏水转变^[1]因而被广泛应用于智能表面制备。^[2]另外,由于其转变温度接近体温且转变速度较快,可逆性较好,该聚合物还在生物相关领域作为药物载体,生物传感器和生物材料等得到广泛应用。^[3]例如Okano等将细胞在体温下培养在PNIPAAm表面后,降低体系温度,PNIPAAm亲水性增强,细胞便逐渐自发脱落从而得到单层细胞片层。^[4]另外,利用PNIPAAm进行单个细胞的操控和分离也有报道。^[5,6]细胞外微环境的拓扑形貌^[7]、力学性能^[8]和化学组成^[9]对细胞有重要影响。具有微米及纳米尺度的复杂网状细胞外基质(extracellularxa0matrix(ECM))可为细胞提供粘附位点,并对细胞的分化、生长和迁移产生重大影响。随着组织工程与再生医学的发展,人们对细胞外基质和细胞外微环境的重视程度日益提高。人们模仿细胞外基质的结构与性能制备了仿生图案化表面,结果表明这种表面同样对细胞的形貌、增殖、迁移、分化和基因表达有影响。^[10]例如,将细胞培养在取向图案化PNIPAAm表面可得到具有复杂结构的细胞片层而应用于血管组织工程等。^[11]在体外肿瘤模型研究中人们发现高侵袭性的癌细胞在取向材料表面的迁移速度显著高于正常细胞和侵袭性较小的癌细胞,而在无规取向材料表面其迁移速度显著降低。^[12]因此取向图案化表面的制备对再生医学和体外肿瘤模型的建立均有重要意义。通常的图案化智能表面的制备包括光刻蚀法、化学刻蚀法、接触印刷法、压印法等,这些方法通常需要包括基质修饰、图案化制备和聚合等多个步骤,^[13]费时费力而且价格较昂贵。电喷法制备虽然较为简便,但仍需专门设备,而且智能材料本身较差的力学性能也是阻碍其应用的一个严重问题。^[14]参考文献:[1]Z.B.Hu,Y.Y.Chen,C.J.Wang,Y.D.Zheng,Y.Li,Naturexa01998,393,149-152.[2]T.L.Sun,G.J.Wang,L.Feng,B.Q.Liu,Y.M.Ma,L.Jiang,D.B.Zhu,Angewandtexa0Chemie-Internationalxa0Editionxa02004,43,357-360.[3]A.Chilkoti,M.R.Dreher,D.E.Meyer,D.Raucher,Advancedxa0Drugxa0Deliveryxa0Reviewsxa02002,54,613-630.[4]K.Nishida,M.Yamato,Y.Hayashida,K.Watanabe,K.Yamamoto,E.Adachi,S.Nagai,A.Kikuchi,N.Maeda,H.Watanabe,T.Okano,Y.Tano,Newxa0Englandxa0Journalxa0ofxa0Medicinexa02004,351,1187-1196.[5]A.Ichikawa,F.Arai,K.Yoshikawa,T.Uchida,T.Fukuda,Appliedxa0Physicsxa0Lettersxa02005,87.[6]H.Takamatsu,S.Uchida,T.Matsuda,Journalxa0ofxa0Biotechnologyxa02008,134,297-304.[7]C.S.Chen,M.Mrksich,S.Huang,G.M.Whitesides,D.E.Ingber,Sciencexa01997,276,1425-1428.[8]A.J.Engler,S.Sen,H.L.Sweeney,D.E.Discher,Cell2006,126,677-689.[9]M.M.Stevens,J.H.George,Sciencexa02005,310,1135-1138..[10]N.Idota,T.Tsukahara,K.Sato,T.Okano,T.Kitamori,Biomaterialsxa02009,30,2095-2101.[11]C.Williams,A.W.Xie,M.Yamato,T.Okano,J.Y.Wong,Biomaterials2011,32,5625-5632;K.Itoga,T.Okano,Journalxa0ofxa0Materialsxa0Chemistry2010,20,8768-8775.[12]J.Johnson,M.O.Nowicki,C.H.Lee,E.A.Chiocca,M.S.Viapiano,S.E.Lawler,J.J.Lannutti,Tissuexa0Engineeringxa0Partxa0C-Methods2009,15,531-540[13]C.Williams,Y.Tsuda,B.C.Isenberg,M.Yamato,T.Shimizu,T.Okano,J.Y.Wong,Advancedxa0Materialsxa02009,21,2161-+;B.C.Isenberg,Y.Tsuda,C.Williams,T.Shimizu,M.Yamato,T.Okano,J.Y.xa0Wong,Biomaterialsxa02008,29,2565-2572;[14]J.W.J.Wang,A.Sutti,X.G.Wang,T.Lin,Softxa0Matterxa02011,7,4364-4369.
发明内容
本发明的目的为建立一种方便快捷的制备温敏图案化聚合物表面的方法,并研究了该图案化聚合物表面在细胞分离和诱导取向反面的应用。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:本发明的具有取向结构的智能图案化聚合物表面的制备方法,具体步骤包括:1)将可形成针状结晶的智能聚合物的单体80-98%,光引发剂1-10%,交联剂1-10%溶解于易于挥发的溶剂中配成溶液;以上为质量百分比;2)将步骤1)中的溶液铺展在基质上,蒸发溶剂使所配单体溶液达到过饱和状态,形成过饱和溶液薄膜;3)在步骤2)所得的过饱和溶液薄膜中加入成核剂使单体结晶形成具有取向结构的图案化表面;4)将步骤3)所得图案化表面进行光引发聚合,即可得到所需要的取向图案化聚合物表面。所述的单体选自异丙基丙烯酰胺、甲基异丙基丙烯酰胺和羧基异丙基丙烯酰胺中的一种。所述的光引发剂为自由基型,包括苯偶姻及衍生物类(安息香、安息香双甲醚、安息香乙醚、安息香异丙醚、安息香丁醚)、苯偶酰类(二苯基乙酮、α,α-二甲氧基-α-苯基苯乙酮)、烷基苯酮类(α,α-二乙氧基苯乙酮、α-羟烷基苯酮、α-胺烷基苯酮)、酰基磷氧化物(芳酰基膦氧化物、双苯甲酰基苯基氧化膦)、二苯甲酮类(二苯甲酮、2,4-二羟基二苯甲酮、米蚩酮)、硫杂蒽酮类(硫代丙氧基硫杂蒽酮、异丙基硫杂蒽酮)和阳离子型(二芳基碘鎓盐、三芳基碘鎓盐、烷基碘鎓盐、异丙苯茂铁六氟磷酸盐等)中的一种或几种。所述的交联剂为含多双键的自由基型交联剂。所述的成核剂可以为各种有机或无机物晶体、针尖、刀片、塑料或金属薄膜等,它们起成核点(中心)的作用,因此有些成核剂可以去除,如针尖。故用量视情况和加入的成核剂种类而定。加成核剂后,单体将以成核点(中心)为中心结晶,并迅速向四周扩散,形成具有取向结构的图案化表面。所述的溶剂为芳烃、卤化烃、烷烃、环烷烃、酮类、醇类、醚类、丙酮和酯类等易挥发物质。所述的基质可以是玻璃、石英、硅片和金属等硬质材料,也可以是纸、塑料、橡胶、金属薄膜和不干胶带等可弯曲材料。所述的图案化表面可以用来获得片层组织细胞、各种图案化和具有取向结构的细胞及各种不同类型细胞的分离鉴别等。本发明为一种新颖且操作简单易行的制作图案化温敏表面的生产工艺。是采用可形成针状结晶的智能聚合物的单体,首先形成其过饱和溶液。向过饱和溶液中中加入成核剂后,单体将以成核点(中心)为中心形成针状结晶,并迅速向四周扩散,形成具有取向结构的图案化表面。最后再通过光引发聚合即可得到各种所需的取向图案化温敏表面,该方法制备的温敏表面具有很高的应用价值。该方法克服了传统方法步骤繁琐的缺陷,也不需要昂贵的设备,同时所得的图案化表面性能优异,从而使温敏类材料的更为广泛的应用提供了广阔的空间。
附图说明
图1为具有取向结构的辐射状图案化表面(聚合前)的光镜图;图2为具有取向结构的辐射状图案化表面(聚合后)的扫描电镜图;图3为具有取向结构的两个成核点图案化表面(聚合后)的光镜图;图4为具有取向结构的三个成核点图案化表面(聚合后)的光镜图;图5为具有取向结构的四个成核点图案化表面(聚合后)的光镜图;图6为具有取向结构的线形成核点形成的“鱼骨刺”结构的图案化表面(聚合后)的光镜图;图7为表面轮廓仪测定的图6所示表面的表面轮廓图;图8为人骨髓间充质干细胞(MSC)种植在PNIPAAm图案化表面的显微镜图片。其中,(a-c)种植二天后的光镜模式(a)、荧光模式(b)和叠加(c)图。图9为智能图案化表面在细胞培养方面的应用。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。实施例1将单体异丙基丙烯酰胺(NIPAm)与交联剂(N,N′-双丙稀酰胱胺)与光引发剂Irgacure651以质量比25∶1∶1混合溶于等质量甲醇中配成均一溶液。将溶液滴加到玻璃表面,分散均匀。随着溶剂的蒸发,单体逐渐达到过饱和状态。在过饱和溶液中心加入极少量异丙基丙烯酰胺晶体,过饱和溶液中的溶解物迅速沿该中心形成针状结晶并向四周辐射状扩散形成具有取向结构的图案化表面,见图1。最后用紫外光引发聚合,即可制得稳定的具有取向结构的图案化PNIPAM表面,洗涤后该表面的SEM如图2所示。该图案经多次洗涤、干燥后其表面图案依然十分清晰,证明本方法是制备稳定的图案化表面的有效方法。接触角实验表明该表面与水的接触角在20°C下为51°,而在37°C下为92°,证明这种表面具有温敏性质。实施例2通过改变成核点,可以做出不同的微观图案化PNIPAM表面。如图1~6为多点成核后聚合形成的图案;图3为均匀的两个成核点聚合后形成的图案;图4为均匀的三个成核点聚合后形成的图案;图5为四个成核点聚合后形成的图案;图6为线性成核点聚合后形成的图案。由图1-6表明通过调节成核剂加入位置可方便的调控宏观图案化,说明本专利所述方法是一种方便快捷的制备兼具宏观和微观图案化的智能图案化表面的有效方法。图6所示的聚合物表面在距线性成核点1cm处、平行于线性成核点的位置用表面轮廓仪测定表面轮廓如图7所示。该表面具有较规整的波峰-波谷结构,波峰-波谷间平均垂直高度为数微米。实施例3将人骨髓间充质干细胞(MSC)种植在PNIPAAm图案化表面,如图8((a)为光镜模式,(b)为荧光模式,(c)为叠加图)所示,图8(a)中的箭头表示图案化表面的取向方向。用Calciumxa0AM活染后的MSC见图8(b,c)由图8可见MSC可在PNIPAAm图案化表面粘附和生长。不仅如此MSC可在该表面取向生长,其取向方向与图案化表面的取向方向一致,表明该表面对细胞具有“接触引导”作用。实施例4将乳癌细胞MDA-MB-231细胞种植在取向图案化表面,37°C下培养二天后,用PBS洗涤后观察,如图9(a-c)为显微镜光镜模式图9(a)、荧光模式图9(b)和叠加图9(c)图,由图可见细胞可沿取向表面取向生长,表明该表面可提供细胞粘附位点并诱导细胞取向。将细胞在室温下培养一小后,用PBS洗涤。图9(d-f)为洗涤后表面的的光镜模式图9(d)、荧光模式图9(e)和叠加图9(f)。由图可见PNIPAAm图案化表面的细胞已完全脱落,表明该智能图案化表面不仅可诱导细胞取向,而且可使粘附细胞在低温下脱附,这证明了本发明制备的智能图案化表面是进行细胞培养的良好基质。图9(g-i)为室温培养、PBS洗涤后玻璃基质上图案化表面边缘-玻璃界面处的显微镜图片。由图可见PNIPAAm图案化表面的取向细胞已完全脱落,而玻璃表面上可见很多细胞,且呈无规取向,这进一步证明了取向图案化表面对细胞诱导取向和脱附的作用。