專利名稱：一種具有取向結構的溫敏圖案化聚合物表面的制備方法和應用的制作方法
技術領域：
本發明屬于功能材料技術領域，具體地說是ー種具有取向結構的溫敏圖案化聚合物表面的制備方法，及其在生物材料領域的應用。相關背景智能材料由于可隨外界刺激而作出響應，其研究近來受到了人們的高度重視。一個典型的例子是聚異丙基丙烯酰胺(Poly (N-isopropylacrylamid),PNIPAAm),在水環境下這種聚合物在其低臨界溶解溫度(lower critical solution temperature (LCST))附近( 32°C)由于分子內/分子間的氫鍵競爭會發生可逆的親水/疏水轉變[1]因而被廣泛應用于智能表面制備。M另外，由于其轉變溫度接近體溫且轉變速度較快，可逆性較好，該聚合物還在生物相關領域作為藥物載體，生物傳感器和生物材料等得到廣泛應用。M例如 Okano等將細胞在體溫下培養在PNIPAAm表面后，降低體系溫度，PNIPAAm親水性增強，細胞便逐漸自發脫落從而得到單層細胞片層。另外，利用PNIPAAm進行單個細胞的操控和分離也有報道。[5’6]細胞外微環境的拓撲形貌m、力學性能W和化學組成[9]對細胞有重要影響。具有微米及納米尺度的復雜網狀細胞外基質(extracellular matrix(ECM))可為細胞提供粘附位點，并對細胞的分化、生長和遷移產生重大影響。隨著組織工程與再生醫學的發展，人們對細胞外基質和細胞外微環境的重視程度日益提高。人們模仿細胞外基質的結構與性能制備了仿生圖案化表面，結果表明這種表面同樣對細胞的形貌、増殖、遷移、分化和基因表達有影響。—例如，將細胞培養在取向圖案化PNIPAAm表面可得到具有復雜結構的細胞片層而應用于血管組織工程等。[n]在體外腫瘤模型研究中人們發現高侵襲性的癌細胞在取向材料表面的遷移速度顯著高于正常細胞和侵襲性較小的癌細胞，而在無規取向材料表面其遷移速度顯著降低。[12]因此取向圖案化表面的制備對再生醫學和體外腫瘤模型的建立均有重要意義。通常的圖案化智能表面的制備包括光刻蝕法、化學刻蝕法、接觸印刷法、壓印法等，這些方法通常需要包括基質修飾、圖案化制備和聚合等多個步驟，M費時費力而且價格較昂貴。電噴法制備雖然較為簡便，但仍需專門設備，而且智能材料本身較差的力學性能也是阻礙其應用的一個嚴重問題。[14]參考文獻[1]Z. B. Hu, Y. Y. Chen, C. J. Wang, Y. D. Zheng, Y. Li, Nature 1998，393，149-152.[2]T. L Sun，G. J. Wang, L Feng, B. Q. Liu, Y. M. Ma, L Jiang, D. B. Zhu，AngewandteChemie-International Edition 2004，43，357-360.[3]A. Chilkoti，M. R. Dreher, D. E. Meyer, D. Raucher, Advanced Drug DeliveryReviews 2002，54，613-630.[4]K. Nishida，M. Yamato, Y. Hayashida，K. Watanabe, K. Yamamoto，E. Adachi,
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發明內容
本發明的目的為建立ー種方便快捷的制備溫敏圖案化聚合物表面的方法，并研究了該圖案化聚合物表面在細胞分離和誘導取向反面的應用。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現本發明的具有取向結構的智能圖案化聚合物表面的制備方法，具體步驟包括I)將可形成針狀結晶的智能聚合物的單體80-98%，光引發劑1_10%，交聯劑1-10%溶解于易于揮發的溶劑中配成溶液；以上為質量百分比；2)將步驟I)中的溶液鋪展在基質上，蒸發溶劑使所配単體溶液達到過飽和狀態，形成過飽和溶液薄膜；3)在步驟2)所得的過飽和溶液薄膜中加入成核劑使單體結晶形成具有取向結構的圖案化表面；4)將步驟3)所得圖案化表面進行光引發聚合，即可得到所需要的取向圖案化聚合物表面。所述的單體選自異丙基丙烯酰胺、甲基異丙基丙烯酰胺和羧基異丙基丙烯酰胺中的ー種。所述的光引發劑為自由基型，包括苯偶姻及衍生物類(安息香、安息香雙甲醚、安息香こ醚、安息香異丙醚、安息香丁醚)、苯偶酰類(ニ苯基こ酮、a，a-ニ甲氧基-a-苯基苯こ酮)、烷基苯酮類(a，a-ニこ氧基苯こ酮、a-羥烷基苯酮、a-胺烷基苯酮入酰基磷氧化物(芳酰基膦氧化物、雙苯甲酰基苯基氧化膦)、ニ苯甲酮類(ニ苯甲酮、2，4_ ニ羥基ニ苯甲酮、米蚩酮)、硫雜蒽酮類(硫代丙氧基硫雜蒽酮、異丙基硫雜蒽酮)和陽離子型(ニ芳基碘鎗鹽、三芳基碘鎗鹽、烷基碘鎗鹽、異丙苯茂鐵六氟磷酸鹽等)中的ー種或幾種。所述的交聯劑為含多雙鍵的自由基型交聯劑。所述的成核劑可以為各種有機或無機物晶體、針尖、刀片、塑料或金屬薄膜等，它們起成核點(中心)的作用，因此有些成核劑可以去除，如針尖。故用量視情況和加入的成核劑種類而定。加成核劑后，単體將以成核點(中心)為中心結晶，并迅速向四周擴散，形成具有取向結構的圖案化表面。所述的溶劑為芳烴、鹵化烴、烷烴、環烷烴、酮類、醇類、醚類、丙酮和酯類等易揮發物質。所述的基質可以是玻璃、石英、硅片和金屬等硬質材料，也可以是紙、塑料、橡膠、金屬薄膜和不干膠帶等可彎曲材料。所述的圖案化表面可以用來獲得片層組織細胞、各種圖案化和具有取向結構的細胞及各種不同類型細胞的分離鑒別等。本發明為ー種新穎且操作簡單易行的制作圖案化溫敏表面的生產エ藝。是采用可形成針狀結晶的智能聚合物的単體，首先形成其過飽和溶液。向過飽和溶液中中加入成核劑后，単體將以成核點(中心)為中心形成針狀結晶，并迅速向四周擴散，形成具有取向結構的圖案化表面。最后再通過光引發聚合即可得到各種所需的取向圖案化溫敏表面，該方法制備的溫敏表面具有很高的應用價值。該方法克服了傳統方法步驟繁瑣的缺陷，也不需要昂貴的設備，同時所得的圖案化表面性能優異，從而使溫敏類材料的更為廣泛的應用提供了廣闊的空間。


圖I為具有取向結構的輻射狀圖案化表面(聚合前)的光鏡圖；圖2為具有取向結構的輻射狀圖案化表面(聚合后)的掃描電鏡圖；圖3為具有取向結構的兩個成核點圖案化表面(聚合后)的光鏡圖；圖4為具有取向結構的三個成核點圖案化表面(聚合后)的光鏡圖；圖5為具有取向結構的四個成核點圖案化表面(聚合后)的光鏡圖；圖6為具有取向結構的線形成核點形成的“魚骨刺”結構的圖案化表面(聚合后)的光鏡圖；圖7為表面輪廓儀測定的圖6所示表面的表面輪廓圖；圖8為人骨髓間充質干細胞(MSC)種植在PNIPAAm圖案化表面的顯微鏡圖片。其中，(a-c)種植ニ天后的光鏡模式(a)、熒光模式(b)和疊加(C)圖。圖9為智能圖案化表面在細胞培養方面的應用。
具體實施例方式下面結合附圖與具體實施例進ー步闡述本發明的技術特點。實施例I 將單體異丙基丙烯酰胺(NIPAm)與交聯劑(N，N' _雙丙稀酰胱胺)與光引發劑Irgacure651以質量比25 I I混合溶于等質量甲醇中配成均一溶液。將溶液滴加到玻璃表面，分散均勻。隨著溶劑的蒸發，単體逐漸達到過飽和狀態。在過飽和溶液中心加入極少量異丙基丙烯酰胺晶體，過飽和溶液中的溶解物迅速沿該中心形成針狀結晶并向四周輻射狀擴散形成具有取向結構的圖案化表面，見圖I。最后用紫外光引發聚合，即可制得穩定的具有取向結構的圖案化PNIPAM表面，洗滌后該表面的SEM如圖2所示。該圖案經多次洗滌、干燥后其表面圖案依然十分清晰，證明本方法是制備穩定的圖案化表面的有效方法。接觸角實驗表明該表面與水的接觸角在20°C下為51°，而在37°C下為92°，證明這種表面具有溫敏性質。實施例2通過改變成核點，可以做出不同的微觀圖案化PNIPAM表面。如圖I 6為多點成核后聚合形成的圖案；圖3為均勻的兩個成核點聚合后形成的圖案；圖4為均勻的三個成核點聚合后形成的圖案；圖5為四個成核點聚合后形成的圖案；圖6為線性成核點聚合后形成的圖案。由圖1-6表明通過調節成核劑加入位置可方便的調控宏觀圖案化，說明本專利所述方法是ー種方便快捷的制備兼具宏觀和微觀圖案化的智能圖案化表面的有效方法。 圖6所示的聚合物表面在距線性成核點Icm處、平行于線性成核點的位置用表面輪廓儀測定表面輪廓如圖7所示。該表面具有較規整的波峰-波谷結構，波峰-波谷間平均垂直高度為數微米。實施例3將人骨髓間充質干細胞(MSC)種植在PNIPAAm圖案化表面，如圖8 ((a)為光鏡模式，(b)為熒光模式，(C)為疊加圖)所示，圖8(a)中的箭頭表示圖案化表面的取向方向。用Calcium AM活染后的MSC見圖8 (b，c)由圖8可見MSC可在PNIPAAm圖案化表面粘附和生長。不僅如此MSC可在該表面取向生長,其取向方向與圖案化表面的取向方向一致，表明該表面對細胞具有“接觸引導”作用。實施例4將乳癌細胞MDA-MB-231細胞種植在取向圖案化表面，37°C下培養ニ天后，用PBS洗滌后觀察，如圖9 (a-c)為顯微鏡光鏡模式圖9 (a)、熒光模式圖9(b)和疊加圖9 (C)圖，由圖可見細胞可沿取向表面取向生長，表明該表面可提供細胞粘附位點并誘導細胞取向。將細胞在室溫下培養ー小后，用PBS洗滌。圖9(d-f)為洗滌后表面的的光鏡模式圖9(d)、熒光模式圖9(e)和疊加圖9(f)。由圖可見PNIPAAm圖案化表面的細胞已完全脫落，表明該智能圖案化表面不僅可誘導細胞取向，而且可使粘附細胞在低溫下脫附，這證明了本發明制備的智能圖案化表面是進行細胞培養的良好基質。圖9(g-i)為室溫培養、PBS洗滌后玻璃基質上圖案化表面邊緣-玻璃界面處的顯微鏡圖片。由圖可見PNIPAAm圖案化表面的取向細胞已完全脫落，而玻璃表面上可見很多細胞，且呈無規取向，這進ー步證明了取向圖案化表面對細胞誘導取向和脫附的作用。
權利要求
1.具有取向結構的智能圖案化聚合物表面的制備方法，其特征在于具體步驟包括 1)將可形成針狀結晶的智能聚合物的單體80-98%，光引發劑1_10%，交聯劑1-10%溶解于易于揮發的溶劑中配成溶液；以上為質量百分比； 2)將步驟I)中的溶液鋪展在基質上，蒸發溶劑使所配単體溶液達到過飽和狀態，形成過飽和溶液薄膜； 3)在步驟2)所得的過飽和溶液薄膜中加入成核劑使單體結晶形成具有取向結構的圖案化表面； 4)將步驟3)所得圖案化表面進行光引發聚合，即可得到所需要的取向圖案化聚合物表面。
2.根據權利要求I所述的具有取向結構的智能圖案化聚合物表面的制備方法，其特征在干所述的單體選自異丙基丙烯酰胺、甲基異丙基丙烯酰胺和羧基異丙基丙烯酰胺中的ー種或幾種。
3.根據權利要求I所述的具有取向結構的智能圖案化聚合物表面的制備方法，其特征在于所述的光引發劑為自由基型光引發劑，包括苯偶姻及衍生物類光引發劑、苯偶酰類光引發劑、烷基苯酮類光引發劑、酰基磷氧化物光引發劑、ニ苯甲酮類光引發劑、硫雜蒽酮類光引發劑和陽離子型光引發劑中的ー種或幾種。
4.根據權利要求3所述的具有取向結構的智能圖案化聚合物表面的制備方法，其特征在于所述的苯偶姻及衍生物類光引發劑選自安息香、安息香雙甲醚、安息香こ醚、安息香異丙醚或安息香丁醚；苯偶酰類光引發劑選自ニ苯基こ酮或《，a-ニ甲氧基-a-苯基苯こ酮；所述的烷基苯酮類光引發劑選自a，a-ニこ氧基苯こ酮、a-羥烷基苯酮或胺烷基苯酮；酰基磷氧化物光引發劑選自芳酰基膦氧化物或雙苯甲酰基苯基氧化膦；ニ苯甲酮類光引發劑選自ニ苯甲酮、2，4_ ニ羥基ニ苯甲酮或米蚩酮；硫雜蒽酮類光引發劑選自硫代丙氧基硫雜蒽酮或異丙基硫雜蒽酮；陽離子型光引發劑選自ニ芳基碘鎗鹽、三芳基碘鎗鹽、燒基鵬鐵鹽或異丙苯茂鐵TK氣憐酸鹽。
5.根據權利要求I所述的具有取向結構的智能圖案化聚合物表面的制備方法，其特征在于所述的交聯劑為含多雙鍵的自由基型交聯劑。
6.根據權利要求I所述的具有取向結構的智能圖案化聚合物表面的制備方法，其特征在干所述的成核劑為各種有機或無機物晶體、針尖、刀片、塑料或金屬薄膜。
7.根據權利要求I所述的具有取向結構的智能圖案化聚合物表面的制備方法，其特征在干所述的溶劑為芳烴、鹵化烴、烷烴、環烷烴、酮類、醇類、醚類、丙酮和酯類中的ー種。
8.根據權利要求I所述的具有取向結構的智能圖案化聚合物表面的制備方法，其特征在干所述的基質選自玻璃、石英、硅片和金屬中的ー種，也可以選自紙、塑料、橡膠、金屬薄膜和不干膠帶中的ー種。
9.權利要求I所述制備方法獲得的具有取向結構的智能圖案化聚合物表面應用于獲得片層組織細胞、各種圖案化和具有取向結構的細胞及各種不同類型細胞的分離鑒別。
全文摘要
本發明公開了一種具有取向結構的智能圖案化聚合物表面的制備方法和應用。是采用可形成針狀結晶的智能聚合物的單體，首先形成其過飽和溶液。向過飽和溶液中加入成核劑后，單體將以成核點(中心)為中心形成針狀結晶，并迅速向四周擴散，形成具有取向結構的圖案化表面。最后再通過光引發聚合即可得到各種所需的取向圖案化溫敏表面，該方法制備的溫敏表面具有很高的應用價值。該方法克服了傳統方法步驟繁瑣的缺陷，也不需要昂貴的設備，同時所得的圖案化表面性能優異，從而使溫敏類材料的更為廣泛的應用提供了廣闊的空間。
文檔編號C12N5/00GK102643448SQ201210088698
公開日2012年8月22日 申請日期2012年3月29日 優先權日2012年3月29日
發明者何宏燕, 李利, 李貴生, 王豐 申請人:上海師范大學