微纳复合多层次结构聚合物薄膜及其制备方法

摘要

本发明提出一种微纳复合多层次结构聚合物薄膜及其制备方法，解决了现有技术中纺丝薄膜表面光滑，不利于细胞的粘附和生物活性因子的激活等问题。本发明是按照下述方式进行的：(1)利用仿生设计，在母模上构建微尺寸结构；(2)纺丝，将聚合物纺丝薄膜加工在微热压基体上，(3)热压：使微热压基体发生变形挤压聚合物纺丝薄膜按照微尺寸结构形状发生变形；(4)脱模，再将微热压基体和母模脱离。本发明既保持了单纯纺丝支架的高孔隙率，又较好的实现了支架表面的微结构的主动设计和成型精度可控，成型效果好，加工效率高，良品率高，细胞在热压材料上生长速度快。

权利要求

1.一种微纳复合多层次结构聚合物薄膜的制备方法，其特征在于是按照下述方式进行的：（1）利用仿生设计，在母模（4）上构建微尺寸结构（5）；

（2）纺丝，将微热压基体（2）置于纺丝针头下侧接收纺丝纤维，待接收完毕，纺丝薄膜连同微热压基体（2）一同取出，此时聚合物纺丝薄膜（3）已加工在微热压基体（2）上，（3）热压：将带有聚合物纺丝薄膜（3）的表面紧贴在母模（4）的微尺寸结构（5）上，调节温度和载荷，使温度高于聚合物的玻璃化转变温度、低于黏流转变温度，使微热压基体（2）发生变形挤压聚合物纺丝薄膜（3）按照微尺寸结构（5）形状发生变形；

（4）脱模，再将微热压基体（2）和母模（4）脱离；

其中，聚合物纺丝薄膜加工方法如下：将聚乳酸和聚乙二醇溶于二氯甲烷和二甲基甲酰胺混合溶液中，在40℃恒温水浴锅中搅拌12h，其中聚乳酸和聚乙二醇的质量比为95:5，二氯甲烷和二甲基甲酰胺溶液的体积比7:3；

然后，将混合溶液加到注射器中，利用静电纺丝机器纺丝制备出纳米级纤维薄膜。

2.根据权利要求1所述的微纳复合多层次结构聚合物薄膜的制备方法，其特征在于：步骤（2）中聚合物纺丝薄膜（3）的厚度是微尺寸结构（5）厚度的1.5-3倍。

3.根据权利要求1或2所述的微纳复合多层次结构聚合物薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中纺丝材料和微热压基体（2）的材料可选用PP、PS、PE、PMMA、PC、PLLA、PDLA、PVA、PCL、PEG、PEO、PBS或TPU中的至少一种。

4.根据权利要求1或2所述的微纳复合多层次结构聚合物薄膜的制备方法，其特征在于：所述纺丝法为熔体纺丝法、溶液纺丝法、熔融纺丝法、静电纺丝法或旋碟纺丝法。

5.根据权利要求1所述的微纳复合多层次结构聚合物薄膜的制备方法，其特征在于纺丝工艺为：正电压10kV，针头内径0.9mm，接收距离20cm。

6.根据权利要求1所述的微纳复合多层次结构聚合物薄膜的制备方法，其特征在于微热压工艺参数为：热压温度65℃，压头加载速度0.01mm/s，保压力80N，保压时间300s。

7.一种如权利要求1 6任一项所述方法制备的微纳复合多层次结构聚合物薄膜。

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说明书

微纳复合多层次结构聚合物薄膜及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及聚合物功能薄膜制备的技术领域，更具体地说，涉及一种带有微米和纳米尺度的复合多层次结构聚合物薄膜的制备方法，所制备薄膜可实现超疏水、超亲水的特性，可应用到超疏水结构、生物组织工程支架等领域。

背景技术

[0002] 组织器官移植是治疗各种慢性器官病变的最有效的手段，然而供体的匾乏一直制约着组织器官移植。组织工程为体外培养活体组织器官提供了可能，它有望恢复人体组织器官更多的生化功能。静电纺丝作为获得组织工程支架的最常用的一种方法，具有简单有效，方便经济等优点，得到的纤维具有连续长度，多孔，超细直径和高比表面积等特性。但同时受工艺限制，一般制备的纺丝薄膜表面光滑，不利于细胞的粘附和生物活性因子的激活。因此，如何制造高的比表面积和适宜的表面理化性质以利于细胞粘附、增殖和分化以及负载生长因子等生物信号分子成为组织工程支架制造的重要问题。

发明内容

[0003] 本发明提出一种微纳复合多层次结构聚合物薄膜及其制备方法，解决了现有技术中纺丝薄膜表面光滑，不利于细胞的粘附和生物活性因子载荷等问题。

[0004] 本发明的微纳复合多层次结构聚合物薄膜的制备方法，是按照下述方式进行的：

[0005] (1)利用仿生设计，在母模上构建微尺寸结构；

[0006] (2)纺丝，将微热压基体置于纺丝针头下侧接收纺丝纤维，待接收完毕，纺丝薄膜连同微热压基体一同取出，此时聚合物纺丝薄膜已加工在微热压基体上，

[0007] (3)热压：将带有聚合物纺丝薄膜的表面紧贴在母模的微尺寸结构上，调节温度和载荷，使温度高于聚合物的玻璃化转变温度、低于黏流转变温度，使微热压基体发生变形挤压聚合物纺丝薄膜按照微尺寸结构形状发生变形；

[0008] (4)脱模，再将微热压基体和母模脱离。

[0009] 步骤(2)中聚合物纺丝薄膜的厚度是微尺寸结构厚度的1.5-3倍。

[0010] 所述步骤(2)中纺丝材料和微热压基体的材料可选用PP、PS、PE、PMMA、PC、PLLA、PDLA、PVA、PCL、PEG、PEO、PBS或TPU中的至少一种。

[0011] 所述纺丝法为熔体纺丝法、溶液纺丝法、熔融纺丝法、静电纺丝法或旋碟纺丝法。

[0012] 聚合物纺丝薄膜加工方法如下：将聚乳酸和聚乙二醇溶于二氯甲烷和二甲基甲酰胺混合溶液中，在40℃恒温水浴锅中搅拌12h，其中聚乳酸和聚乙二醇的质量比为95:5，二氯甲烷和二甲基甲酰胺溶液的体积比7:3；然后，将混合溶液加到注射器中，利用静电纺丝机器纺丝制备出纳米级纤维薄膜。

[0013] 纺丝工艺为：正电压10kV，针头内径0.9mm，接收距离20cm。

[0014] 微热压工艺参数为：热压温度65℃，压头加载速度0.01mm/s，保压力80N，保压时间300s。

[0015] 本发明的方法对纺丝薄膜进行二次加工，因纺丝薄膜已具备纳米结构，通过微热压技术可构建带有微纳米复合多层次结构的组织工程支架，既保持了单纯纺丝支架的高孔隙率，又较好的实现了支架表面的微结构的主动设计和成型精度可控，成型效果好，加工效率高，良品率高，细胞在热压材料上生长速度快。

附图说明

[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0017] 图1为微纳复合结构薄膜制备原理图。

[0018] 图2为纺丝后原始纳米薄膜形貌图。

[0019] 图3为热压后带有光栅微结构的纳米薄膜2D形貌。

[0020] 图4微热压后纳米薄膜3D形貌图。

[0021] 图5为图4的部分放大图。

[0022] 图6为HUVECs经过1天、2天，3天培养后的生存能力对比图。

[0023] 图7微结构阵列硅模具图。

[0024] 图8为微纳复合薄膜的SEM图片。

[0025] 图9为图8中局部放大图。

[0026] 图10微纳复合聚合物薄膜。

[0027] 图11为薄膜表面接触角示意图。

[0028] 图12为HUVECs生长情况对比图。

具体实施方式

[0029] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0030] 如图1所示，一种微纳复合多层次结构聚合物薄膜的制备方法，是按照下述方式进行的：

[0031] (1)利用仿生设计，在母模4上构建微尺寸结构5；

[0032] (2)纺丝，将微热压基体2置于纺丝针头下侧接收纺丝纤维，待接收完毕，纺丝薄膜连同微热压基体2一同取出，此时聚合物纺丝薄膜3已加工在微热压基体2上，[0033] (3)热压：将带有聚合物纺丝薄膜3的表面紧贴在母模4的微尺寸结构5上，调节温度和载荷，使温度高于聚合物的玻璃化转变温度、低于黏流转变温度，使微热压基体2发生变形挤压聚合物纺丝薄膜3按照微尺寸结构5形状发生变形；

[0034] (4)脱模，在将微热压基体2和母模4脱离。

[0035] 优选的，步骤(2)中聚合物纺丝薄膜3的厚度是微尺寸结构5厚度的1.5-3倍。

[0036] 优选的，所述步骤(2)中纺丝材料和微热压基体2的材料可选用PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)、PE(聚乙烯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸酯)、PLLA(聚乳酸)、PDLA(右旋聚乳酸)、PVA(聚乙烯醇)、PCL(聚己内酯)、PEG(聚乙二醇)、PEO(聚氧化乙烯)、PBS(聚丁二酸丁二醇)或TPU(聚胺酯)中的至少一种。

[0037] 所述纺丝法为熔体纺丝法、溶液纺丝法、熔融纺丝法、静电纺丝法或旋碟纺丝法。

[0038] 本发明公开了采用对纳米尺度的聚合物纺丝薄膜进行微热压二次加工，得到具备微纳复合多层次结构的聚合物薄膜。在本制备方法中主要利用热塑性聚合物在温度高于玻璃化转变温度Tg，而低于黏流转变温度的时候，聚合物呈高弹态，弹性模量低，在此温度内将聚合物纺丝薄膜夹放在微热压模具与聚合物基片之间，薄膜借助微热压聚合物基片发生的形变挤压及模具结构的控制，表面复制出和模具相对应的微结构，同时由于加工温度低于纺丝聚合物熔融温度，薄膜仍能保留纺丝的纳米结构。这种方法操作简单，效率高，产品复制精度高，可以制备具有微纳米复合多层次结构的聚合物薄膜。可以应用于三维细胞培养，组织工程，超疏水表面等领域。

[0039] 下面结合具体实施例说明本发明的制备方法。

[0040] 1.母模成型：根据组织支架表面微结构需要，进行仿生设计，在母模4上构建微尺寸结构5；

[0041] 2.将合适的微热压基体2置于纺丝针头下侧接收纺丝纤维，待接收完毕，纺丝薄膜连同微热压基体2一同取出，此时聚合物纺丝薄膜3已加工在微热压基体2上，薄膜表面平整，厚度均匀，一般为微尺寸结构5厚度的1.5-3倍。

[0042] 其中：聚合物纺丝薄膜加工方具体方法和参数如下：将聚乳酸和聚乙二醇溶于二氯甲烷和二甲基甲酰胺混合溶液中，在40℃恒温水浴锅中磁力搅拌12h，其中聚乳酸和聚乙二醇的质量比为95:5，二氯甲烷和二甲基甲酰胺溶液的体积比7:3；然后，将混合溶液加到注射器中，利用静电纺丝机器纺丝制备出纳米级纤维薄膜。其中，纺丝工艺为：正电压10Kv，针头内径0.9mm，接收距离20cm；微热压工艺参数为：热压温度65℃，压头加载速度0.01mm/s，保压力80N，保压时间300s。

[0043] 3热压：将表面铺有纺丝薄膜的微热压基体2进行微热压成型，其中带有聚合物纺丝薄膜3的表面紧贴在母模4微尺寸结构5，调节温度，载荷，使微热压基体2发生变形挤压聚合物纺丝薄膜3按照微尺寸结构5形状发生变形。例：聚乳酸(PLLA)薄膜连同基底热压温度65℃，加载速度0.01mm/s，当加载力达到80N后保压300s。

[0044] 4脱模，再将微热压基体2和母模4脱离过程中，保证脱模角度的精确，避免聚合物纺丝薄膜3热压微结构变形。

[0045] 下面参照应用实例说明本发明：

[0046] (1)人血管内皮细胞3D生长支架

[0047] 首先，选用具有生物相容性、生物可降解聚乳酸(PLLA)和聚乙二醇(PEG)材料，将复合材料聚合物按照一定的比例(PLLA/PEG＝95:5(9wt％))溶于二氯甲烷(DCM)和二甲基甲酰胺(DMF)混合溶液中(溶液体积比7:3)，在40℃恒温水浴锅中磁力搅拌12h。然后，将聚合物溶液加到注射器中，利用静电纺丝机器制备出纳米级纤维薄膜如图2所示，纺丝工艺：正电压10Kv，针头内径0.9mm，接收距离20cm。利用微热压工艺(热压温度65℃，压头加载速度0.01mm/s，保压力80N，保压时间300s)将微结构转印到静电纺丝薄膜，如图3所示。这样就得到空间三维的微尺度上是光栅阵列，纳米尺度上是静电纺丝的微纳复合多层次结构，如图4和5所示。

[0048] 实验中用到的细胞为人脐静脉内皮细胞(HUVECs)。细胞培养试验主要试剂及主要仪器如下：BI 1640培养基、BI血清、PBS溶液、含EDTA胰蛋白酶、鼠尾胶原、Poly-hema、live and dead assay、CCK8assay，离心机、荧光显微镜、酶标仪。首先进行材料表面处理：75％酒精浸泡薄膜2h，PLLA薄膜样品PBS溶液冲洗3次，PBS+双抗浸泡2h，PBS溶液冲洗3次，50ul/ml浓度鼠尾胶原包被材料2h，PBS冲洗3次，紫外照射30min，培养基浸泡2h，最后进行细胞培养。细胞以3.20e+04cells的数量种植在1cm2薄膜上；37℃培养细胞。第一天和第四天的细胞生长情况如图12所示，发现细胞在微图案表面生长良好。图12中，(a)第一天(b)第四天(c)第一天(d)第四天，HUVECs生长情况(a)(b)三角形阵列；(c)(d)光栅阵列。

[0049] 其中生长速度测试使用CCK8试剂盒，共有六组样品(a)取向纤维(b)无规纤维(c)50μm微热压(d)100μm微热压(e)200μm微热压。实验结果如图6所示：PLLA材料对细胞没有毒性，适合细胞生长，细胞在PLLA上经过三天数量在增多，并且细胞在热压材料上生长速度更快，热压材料更适合细胞生长。

[0050] 超疏水微纳复合结构PC纺丝薄膜：静电纺丝是一种制备聚合物纳米薄膜的有效方法，而微热压可以通过将聚合物材料加热到变形温度以上利用硅模板复制微结构。我们将微热压成型与静电纺丝相结合，制备获得一种即具备微米尺度又具备纳米材料表面特征的微纳复合多层次聚合物表面。图7为所使用的硅模板，微光栅阵列特征尺寸为100微米，间距100-200微米；微圆柱阵列特征尺寸为40，80微米，间距100-200微米。图8和9为利用静电纺丝制备的PC纳米纤维薄膜的SEM图片，可以看出纳米纤维无规则排列。在PC热变形温度之上，经过热压之后，微结构阵列复制到PC静电纺丝薄膜。图10所示为微纳复合薄膜上在显微镜下的形貌，微结构阵列清晰，从图9上可以看到微圆柱凸起部位的纳米纤维形貌被没有被破坏。对不同模板热压的微纳复合薄膜进行接触角测试，如图11为光栅结构的薄膜的接触角情况，由于光栅结构的各项异性，因此分别测试水平和垂直方向的接触角，(a)静电纺丝薄膜；(b)微结构阵列；(c)微纳复合薄膜；可以看出制备的微纳复合多层次结构PC薄膜具有超疏水的特性。这种微纳复合多层次结构特征将在自清洁表面材料领域具有很好的应用前景。

[0051] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。