專利名稱：用于細胞培養(yǎng)的多層中空納米纖維及制備方法
技術領域：
本發(fā)明是關于一種可用于細胞培養(yǎng)的多層中空納米纖維的制備方法，這種中空多層納米纖維可以用做細胞培養(yǎng)的支持材料，屬于細胞培養(yǎng)載體材料的技術領域。
背景技術：
中空納米纖維生物反應器既可用于懸浮細胞的培養(yǎng)，又可用于貼壁細胞的培養(yǎng)。其原理是模擬細胞在體內(nèi)生長的三維狀態(tài)，利用反應器內(nèi)數(shù)千根中空纖維的縱向布置，提供細胞近似生理條件的體外生長微環(huán)境，使細胞不斷生長。中空納米纖維是一種細微的管狀結(jié)構，管壁為極薄的半透膜，富含毛細管，培養(yǎng)時纖維管內(nèi)灌流充以氧氣的無血清培養(yǎng)液，管外壁則供細胞黏附生長，營養(yǎng)物質(zhì)通過半透膜從管內(nèi)滲透出來供細胞生長；對于血清等大分子營養(yǎng)物，則必須從管外灌入，否則會被半透膜阻隔不能被細胞利用；細胞的代謝廢物也可通過半透膜滲入管內(nèi)，避免了過量代謝物對細胞的毒害作用。
此外，中空納米纖維還在藥物釋放，組織支架，催化，紡織等很多方面有廣闊的應用前景。鑒于中空纖維的廣泛用途，科學家一直還在尋找制備中空纖維的各種方法。在目前制備中空納米纖維的方法中，主要有自組裝方法(self-assembly)和模板法(the use of templates)。其中采用自組裝方法制備中空纖維的報道多見于通過用表面修飾有表面活性劑或者溶液中分散有表面活性劑的碳或者氮化硼和多肽的自組裝來獲得。也就是說，只有某些特定的材料才可以通過自組裝的方法來制備中空纖維。而在模板法制備中空纖維的方法中，一種是在模板纖維表面的納米級孔陣列中通過控制聚合反應的時間，來獲得具有特定壁厚或者復制出納米級孔陣列然后除去作為模板的纖維，從而獲得有特定壁厚或者有特定表面結(jié)構的中空纖維。另外一種方法是用電紡纖維作為模板，先通過目前已經(jīng)很成熟的沉積條件化學或者物理的蒸汽沉積(Chemical or physical vapor deposition)，旋轉(zhuǎn)涂抹(spincoating)或者噴霧涂抹(spraying)在模板纖維表面覆蓋一層薄膜。然后通過溶劑或者煅燒的方法選擇性的除去模板從而獲得中空的纖維。此外，在探索制備中空納米纖維的方法中，還要值得一提的是近年來美國和西班牙的科學家發(fā)明的一步法制備中空納米纖維。其方法可以簡要概述為把兩種不混溶的液體通過兩個同軸毛細管混紡成纖維后選擇性的除去模板獲得中空纖維。但是，到目前為止，還沒有報導制備多層中空納米纖維的方法。
層層吸附技術(Layer-by-Layer self assembly)是近年來發(fā)展起來的制備有序薄膜的方法。它利用有機或無機陰陽離子的靜電吸附特性，通過反離子體系的交替分子沉積形成薄膜。1991年D.Decher等人用層層吸附技術對構造有序薄膜進行了開創(chuàng)性研究。他們用兩親性有機陰陽離子(或者聚電解質(zhì))在離子化基片表面交替吸附制備多層膜。到目前為止，很多種材料比如碳納米管，蛋白質(zhì)，核酸，磷脂和有機/無機顆粒都被成功的用來構造具有特定組成，厚度和性質(zhì)的多層有序膜。1998年，這項技術被用于球面的膠體顆粒。這種從二維到三維的技術轉(zhuǎn)變，可以制備出有特定尺寸，組成和性質(zhì)的空心多層聚合物微膠囊。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題本發(fā)明旨在提供一種用于細胞培養(yǎng)的多層中空納米纖維及制備方法，該制備方法簡單有效、制備裝置簡單、穩(wěn)定性好、儲存運輸容易、應用范圍廣、無毒無害產(chǎn)率高。
技術方案在本發(fā)明中，我們提出結(jié)合層層組裝技術和電紡纖維為模板來制備一類全新的材料一中空多層納米纖維。
在我們以前的工作中，曾經(jīng)用原子力顯微鏡(AFM)系統(tǒng)研究了磷脂修飾的聚電解質(zhì)微膠囊的表面結(jié)構，發(fā)現(xiàn)微膠囊的表面孔大小與磷脂的修飾程度有關。同時根據(jù)其他組的研究結(jié)果表面，微膠囊的表面結(jié)構與微膠囊的組成有關。在本發(fā)明中，我們擬結(jié)合層層組裝技術和用電紡法得到的纖維作為模板來制備具有特定組成，厚度，尺寸和表面結(jié)構的多層中空纖維。象這樣的中空多層纖維在催化，微流體，純化，分離，氣體儲存，能量轉(zhuǎn)化，藥物釋放，傳感器，環(huán)境保護，組織工程等等很多領域有潛在的應用前景。
本發(fā)明用于細胞培養(yǎng)的多層中空納米纖維由水溶性的聚電解質(zhì)組成，聚電解質(zhì)的濃度為0.1mg/ml-1.0mg/ml，相反電荷的聚電解質(zhì)的質(zhì)量比為1-10∶10，中空纖維的壁厚與組裝層數(shù)成正比。所述的中空纖維的壁材料為多層高分子，水溶性的聚電解質(zhì)是天然的或者人工合成的高分子聚電解質(zhì)，多糖，蛋白質(zhì)，核酸。
本發(fā)明的用于細胞培養(yǎng)的多層中空納米纖維的制備方法是將水溶性的聚電解質(zhì)逐層組裝到電紡纖維表面，然后將其分散在有機溶劑中選擇性的除去模板，其具體步驟如下1)用水溶性的聚電解質(zhì)，配置帶有不同電荷的聚電解質(zhì)水溶液，2)用層層組裝方法將不同帶電荷的水溶性的聚電解質(zhì)組裝到纖維表面，3)選用有機溶劑，選擇性的除去內(nèi)部模板而不損傷外部材料，獲得多層中空纖維。
層層組裝方法為基于正負電荷靜電作用的自組裝方法。所述的有機溶劑是四氫呋喃，甲苯。
在操作步驟類似的情況下，構造由聚氨基烯丙基鹽酸鹽和無機納米粒子二氧化鈦組成的中空納米纖維，以及聚氨基烯丙基鹽酸鹽和牛血清蛋白組成的中空納米纖維等。
在本發(fā)明中我們提出利用電紡纖維作為模板，用層層組裝方法在其表面組裝多層聚合物或者聚合物/無機納米粒子，然后選擇性的除去模板而不損傷外部的壁材料，獲得多層中空納米纖維，該纖維可用作細胞培養(yǎng)的載體材料。
有益效果根據(jù)本發(fā)明利用電紡纖維作為模板來制備多層中空納米纖維，具有以下優(yōu)點1.方法簡單有效可用電紡方法獲得的纖維材料現(xiàn)在已有上百種，其中決大多數(shù)表面都帶有電荷。都可以用做模板材料。同時水溶性的聚電解質(zhì)，蛋白質(zhì)，核酸，多糖也有成千上萬種，通過他們的組合可以制備出具有各種性能和表面結(jié)構的中空多層纖維。此中空多層纖維非常穩(wěn)定，在生物學領域和藥物釋放領域?qū)⒂袕V泛的應用，可以供科研工作者作非常深入系統(tǒng)的研究。
2.采用選擇性的除去模板就可以獲得中空多層纖維，相對于傳統(tǒng)電紡納米纖維，具有厚度可以自如控制，成分自由選擇的優(yōu)點。
3.制備裝置簡單，本發(fā)明不需要什么特殊的設備，普通的培養(yǎng)皿就可以滿足要求。
4.穩(wěn)定性好獲得的中空多層纖維穩(wěn)定性好，耐強酸強堿，耐光耐熱，耐磁耐電。性質(zhì)非常穩(wěn)定。
5.儲存運輸容易只要將獲得的中空多層纖維分散在水溶液中就可以備用。也可以經(jīng)過長途運輸而不需要特別的保護。
6.應用范圍廣獲得的中空多層纖維在生物學和仿生體系以及藥物釋放領域都將有非常廣泛的用途。
7.無毒無害選用的材料都是生物兼容或者可降解的，所以對人體和環(huán)境都非常安全，是非常好的生態(tài)環(huán)境材料。
8.產(chǎn)率高可以獲得高產(chǎn)率的中空多層纖維。


圖1是制備多層中空纖維的示意圖。
圖2是獲得的多層(PAH/PSS)4中空纖維的示意圖。
以上的圖中有電紡纖維墊1、單根纖維2、多層聚電解質(zhì)修飾的纖維3、多層中空纖維4。
具體實施例方式
本發(fā)明用做細胞培養(yǎng)載體的多層中空納米纖維，由帶相反電荷的水溶性的聚電解質(zhì)組成。制備方法是將帶相反電荷的聚電解質(zhì)逐層組裝到電紡纖維表面，然后選擇性的除去內(nèi)部模板纖維而不損傷外部作為壁材料的聚合物。帶相反電荷的水溶性的聚電解質(zhì)的濃度為0.1mg/ml-1.0mg/ml，帶相反電荷的水溶性的聚電解質(zhì)的質(zhì)量比為1～10∶10，模板纖維是電紡得到的纖維。用做細胞培養(yǎng)載體的多層中空納米纖維的厚度由組裝層數(shù)決定。所述的細胞培養(yǎng)載體材料為多層中空納米纖維，水溶性的聚電解質(zhì)是天然的或者合成的聚電解質(zhì)，如聚苯乙烯磺酸鈉(poly(styrenesulfonate，sodium salt)(PSS，聚陰離子)，聚氨基烯丙基鹽酸鹽(poly(allylamine hydrochloride)(PAH，聚陽離子)，也可以是蛋白質(zhì)，核酸，多糖等生物兼容的高分子材料。模板纖維為電紡獲得的單一組分或者復合組分的納米纖維，如聚苯乙烯(PS)纖維等。
該制備方法是將水溶性的聚電解質(zhì)聚苯乙烯磺酸鈉和聚氨基烯丙基鹽酸鹽溶解在水中，然后將其逐層組裝到納米電紡纖維表面，其具體步驟如下1)用水做溶劑分別配置帶正或者負電荷的聚電解質(zhì)溶液；2)將電紡聚苯乙烯(PS)纖維先浸入到與其帶相反電荷的聚電解質(zhì)聚氨基烯丙基鹽酸鹽溶液中，蒸餾水沖洗多次；然后再浸入到聚苯乙烯磺酸鈉溶液，反復多次在纖維表面組裝多層聚電解質(zhì)3)用有機溶劑四氫呋喃選擇性的除去內(nèi)部作為模板的聚苯乙烯纖維，同時該溶劑不損害外部的聚電解質(zhì)，從而獲得多層中空纖維上述的有機溶劑也可以是甲苯。
實施例1制備尺寸在400nm左右的(聚氨基烯丙基鹽酸鹽(poly(allylaminehydrochloride)(PAH，聚陽離子)/聚苯乙烯磺酸鈉(poly(styrenesulfonate，sodiumsalt)(PSS，聚陰離子))4多層中空纖維水溶液的制備將聚氨基烯丙基鹽酸鹽和聚苯乙烯磺酸鈉分別溶解在含0.5M的氯化鈉水溶液中，配置成聚電解質(zhì)水溶液，濃度為1.0mg/ml。
模板制備用電紡噴絲裝置制備出聚苯乙烯納米纖維，尺寸分布在800-1300nm。
將帶負電荷的聚苯乙烯纖維浸入到聚陽離子聚氨基烯丙基鹽酸鹽溶液中，使纖維表面吸附一層聚氨基烯丙基鹽酸鹽，從而表面帶正電荷，洗去多余的聚合物。然后再將此纖維浸入到聚苯乙烯磺酸鈉溶液中，將帶負電荷的聚苯乙烯磺酸鈉組裝到纖維表面，使纖維表面電荷由正轉(zhuǎn)負，洗去多余的聚合物。交替四次，用四氫呋喃除去聚苯乙烯，獲得多層的(PAH/PSS)4中空纖維。
實施例2用PS纖維為模板，聚氨基烯丙基鹽酸鹽溶液濃度為0.5mg/ml，牛血清蛋白水溶液濃度為1.0mg/ml，操作步驟同上面所述，可獲得尺寸在400納米左右的多層聚氨基烯丙基鹽酸鹽/牛血清蛋白中空納米纖維。
實施例3用PS纖維為模板，聚苯乙烯磺酸鈉溶液濃度為0.1mg/ml，免疫球蛋白IgG水溶液(1.0mg/ml)，操作步驟類似上面所述，可獲得尺寸在400nm左右的多層聚苯乙烯磺酸鈉/免疫球蛋白IgG復合中空纖維。
多層中空纖維的應用此多層中空纖維可以大量應用在細胞培養(yǎng)上，作為作為細胞培養(yǎng)的載體材料。也可以應用在分析，藥物緩釋領域。
權利要求
1.一種用于細胞培養(yǎng)的多層中空納米纖維，其特征在于該纖維由水溶性的聚電解質(zhì)組成，聚電解質(zhì)的濃度為0.1mg/ml-1.0mg/ml，相反電荷的聚電解質(zhì)的質(zhì)量比為1-10∶10，中空纖維的壁厚與組裝層數(shù)成正比。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于細胞培養(yǎng)的多層中空納米纖維的制備方法，其特征在于所述的中空纖維的壁材料為多層高分子，水溶性的聚電解質(zhì)是天然的或者人工合成的高分子聚電解質(zhì)，多糖，蛋白質(zhì)，核酸。
3.一種如權利要求1所述的用于細胞培養(yǎng)的多層中空納米纖維的制備方法，其特征在于該制備方法是將水溶性的聚電解質(zhì)逐層組裝到電紡纖維表面，然后將其分散在有機溶劑中選擇性的除去模板，其具體步驟如下1)用水溶性的聚電解質(zhì)，配置帶有不同電荷的聚電解質(zhì)水溶液，2)用層層組裝方法將不同帶電荷的水溶性的聚電解質(zhì)組裝到纖維表面，3)選用有機溶劑，選擇性的除去內(nèi)部模板而不損傷外部材料，獲得多層中空纖維。
4.根據(jù)權利要求3所述的用于細胞培養(yǎng)的多層中空納米纖維的制備方法，其特征在于層層組裝方法為基于正負電荷靜電作用的自組裝方法。
5.根據(jù)權利要求3所述的用于細胞培養(yǎng)的多層中空納米纖維的制備方法，其特征在于所述的有機溶劑是四氫呋喃，甲苯。
全文摘要
用做細胞培養(yǎng)載體材料的多層中空纖維是關于一種利用電紡纖維為模板，結(jié)合層層組裝技術制備多層中空纖維的方法，這種多層中空纖維可以用于細胞培養(yǎng)的載體材料，緩釋領域以及分析上，該多層中空纖維由水溶性的聚合物組成，聚合物的濃度為0.1mg/ml－1.0mg/ml。用做細胞培養(yǎng)載體材料的多層中空纖維的壁厚度由組裝層數(shù)決定。制備方法是電紡纖維為模板，將帶有正反電荷的聚合物交替吸附在纖維表面，然后用有機溶劑除去內(nèi)部的模板纖維而不損害外部的聚合物，從而獲得多層中空纖維，與傳統(tǒng)的中空纖維相比，它的壁厚度可以由組裝的聚合物層數(shù)來控制，壁組成也可以自如選擇材料，可以靈活選材，構造出具有不同性能的多層中空纖維。
文檔編號C12M3/06GK1958134SQ200610096750
公開日2007年5月9日 申請日期2006年10月13日 優(yōu)先權日2006年10月13日
發(fā)明者葛麗芹, 潘超, 顧忠澤 申請人:東南大學