CN102093586A - 聚二甲基硅氧烷表面的物理及化学联合修饰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在阳极氧化铝模板上浇铸聚二甲基硅氧烷，并在这种具有纳米结构的聚二甲基硅烷基底上修饰聚乙烯醇的方法，是一种把物理与化学方法相结合的表面修饰方法。通过电解铝片的方法制得阳极氧化铝膜，将聚二甲基硅氧烷浇注到阳极氧化铝模板上，经固化、脱膜，制作出高聚物的表面纳米结构，然后，通过等离子照射活化高聚物表面，浸泡实现聚乙烯醇的修饰，从而引入亲水基团。本发明结合了物理修饰和化学修饰，设计了一种能增加PDMS表面亲水性且能长时间维持的方法，与未修饰的PDMS相比，这种修饰后的PDMS有更好的生物兼容性，更利于细胞的生长。
Description
技术领域
本发明涉及一种在阳极氧化铝模板上浇铸聚二甲基硅氧烷，并在这种具有纳米结构的聚二甲基硅烷基底上修饰聚乙烯醇的方法，是一种把物理与化学方法相结合的表面修饰方法。
背景技术
聚二甲基硅氧烷(PDMS)具有良好的可塑性、无毒性和透光性，被广泛地应用于微流控研究和生物化学，但是PDMS本身的疏水性阻碍了它在许多领域的应用，目前，对PDMS的表面改性方法主要有两种：物理修饰和化学修饰。
化学修饰主要有等离子照射和接枝聚合物引入官能团两种。等离子照射虽然十分简单，但持久性较差，在照射不久后PDMS的表面疏水性质就会恢复，为了解决这一问题，–OH， -COOH，-NH2等官能团都曾被成功引入并接枝在PDMS用来表面改性。
物理修饰主要是利用模板法，真空压力法或是精确的光刻技术在PDMS表面形成微米级的结构。这些结构可以应用于药物的筛选、细胞的培养、小分子的富集等。
结合化学修饰和物理方法可以成功实现PDMS的表面修饰，并且具有良好的稳定性。
发明内容
本发明提供在有纳米结构的聚合物表面进行聚乙烯醇（PVA）的化学修饰方法，是在阳极氧化铝模板上浇铸聚二甲基硅氧烷，并在这种具有纳米结构的聚二甲基硅烷基底上修饰聚乙烯醇的物理与化学方法相结合的表面修饰方法。
本发明的具体技术方案如下：
本发明是一种聚二甲基硅氧烷表面的物理及化学联合修饰方法，通过电解铝片的方法制得阳极氧化铝膜，将聚二甲基硅氧烷浇注到阳极氧化铝模板上，经固化、脱膜，制作出高聚物的表面纳米结构，然后，通过等离子照射活化高聚物表面，浸泡实现聚乙烯醇（PVA）的修饰，从而引入亲水基团。
本发明通过电解铝片的方法制得阳极氧化铝膜的具体步骤如下：
（1）、把铝片在乙醇溶液和去离子水里各超声清洗5分钟，在程序升温炉中500°C高温灼烧3小时，消除内应力；
（2）、在体积比为2:2:1的硫酸、磷酸、硝酸混酸溶液中，40°C保持20分钟除去铝表面油脂，用去离子水清洗干净；
（3）、在体积比为2:2:1硫酸、磷酸、水溶液中进行电化学抛光15分钟，保持电流在2A以下，以碳棒为参比电极，取出用去离子水清洗；
（4）、在6%的磷酸中进行一次氧化1小时，电压为55V，用水浴法保持温度15°C以下；
（5）、将上述铝片在质量百分比浓度为6%的磷酸和质量百分比浓度为1.8%的铬酸按体积比1:1混合而成的溶液中，60°C浸泡1小时，除去一次氧化层；
（6）、在6%的磷酸溶液中进行二次氧化1小时，电压为55V，用水浴法保持电解液温度处在15°C以下，制得阳极氧化铝模板。
本发明在制作出纳米结构的聚二甲基硅氧烷表面修饰PVA的步骤如下：
（1）、配制聚二甲基硅氧烷高聚物，前驱体聚二甲基硅氧烷和固化剂按10:1的质量比例混合均匀；
（2）、在真空干燥箱里抽真空半小时，除去搅拌时产生的气泡；
（3）、阳极氧化铝模板表面用去离子水清洗干净后，将配制好的聚二甲基硅氧烷浇注到阳极氧化铝模板上，75°C在真空干燥箱中加热1小时固化；
（4）、将聚二甲基硅氧烷高聚物固化后的阳极氧化铝模板，放在乙醇溶液中浸泡半小时，剥落氧化铝膜，在高聚物的表面形成一层纳米结构；
（5）、把制得的高聚物在等离子照射仪中照射3分钟；
（6）、把照射后的聚二甲基硅氧烷高聚物在1%的聚乙烯醇溶液中浸泡20分钟，拿出后用电吹风吹干。
本发明所采用的铝片纯度为99.9%，厚度为0.2mm，面积为18mm2；所采用的酸都是浓酸，乙醇浓度为95%；
本发明的实验环境是在室内，一个大气压下。
本发明在制备氧化铝模板时，铝片与导线连接处保持在电解液上面，且用绝缘胶带缠绕保护。
本发明所采用的电解液磷酸，铬酸采用的是质量百分比，本发明制备氧化铝模板时，因为硫酸溶液腐蚀性较强，所以铝片与导线连接处保持在电解液上面，且用绝缘胶带缠绕保护。
本发明结合了物理修饰和化学修饰，设计了一种能增加PDMS表面亲水性且能长时间维持的方法，与未修饰的PDMS相比，这种修饰后的PDMS有更好的生物兼容性，更利于细胞的生长。
附图说明
图1为原子力显微镜测得的平板PDMS的高度图；
图2为原子力显微镜测得的具有纳米结构的PDMS的高度图；
图3为不同修饰的PDMS的ATR-FTIR图；
图4为不同修饰的具有纳米结构的PDMS在等离子照射1分钟后表面亲水性的变化；
图5为不同修饰的平板PDMS在等离子照射1分钟后表面亲水性的变化；
图6为倒置显微镜下观察到的3天后C6细胞在平板PDMS上的生长形态；
图7为倒置显微镜下观察到的3天后C6细胞在PVA修饰的平板PDMS上的生长形态；
图8为倒置显微镜下观察到的3天后C6细胞在具有纳米结构的PDMS上的生长形态；
图9为倒置显微镜下观察到的3天后C6细胞在PVA修饰的具有纳米结构的PDMS上的生长形态；
图10为C6细胞在各种不同修饰的PDMS上培养1至3天后的生长情况。
图3中：a是平板PDMS的曲线；b是具有纳米结构的PDMS的曲线变化；c是 PVA修饰的具有纳米结构的PDMS的曲线变化；
图4中：1是具有纳米结构的PDMS的曲线变化；2是具有纳米结构的PDMS经等离子照射1分钟的曲线变化；3是PVA修饰的具有纳米结构的PDMS经等离子照射1分钟的曲线变化；
图5中：4是平板PDMS的曲线变化；5是平板PDMS经等离子照射1分钟的曲线变化；6是PVA修饰的平板PDMS经等离子照射1分钟的曲线变化；
图10中：7是平板PDMS；8是PVA修饰的平板PDMS；9是具有纳米结构的PDMS；10是PVA修饰的具有纳米结构的PDMS。
具体实施方式
根据说明书附图对本发明作进一步具体说明：
具体实施例：
1.首先把纯度为99.9%，厚约0.2mm的铝片剪成所需形状在乙醇溶液和去离子水里各超声清洗5分钟；
2.将上述铝片放在程序升温炉中高温灼烧3小时，消除内应力；
3.将上述铝片在体积比 2:2:1的 硫酸、磷酸、硝酸溶液中，40°C保持20分钟，除去铝表面油脂，用去离子水清洗干净；
4.然后再在体积比为2:2:1硫酸、磷酸、水溶液中进行电化学抛光15分钟，电压15V，保持温度为25°C，以碳棒为参比电极，取出用去离子水清洗；
5.将上述铝片在0.6mol/L的硫酸中进行一次氧化2小时，一次氧化的电压为25V，用水浴法保持温度15°C以下，取出铝片；
6.将一次氧化的铝片在质量百分比浓度为6%的磷酸，和质量百分比浓度为1.8%的铬酸按体积比1:1混合而成的溶液中，60°C浸泡1小时，目的是除去一次氧化时不均匀的氧化层；
7.将上述铝片在0.6mol/L的硫酸溶液中进行二次氧化2小时，电压为25V，用水浴法保持电解液温度处在15°C以下，氧化完成后在磷酸溶液中浸泡半小时，制得阳极氧化铝模板。
8.配制聚二甲基硅氧烷高聚物，前驱体聚二甲基硅氧烷与固化剂按10：1的质量比例混合均匀；
9.将阳极氧化铝模板表面用去离子水清洗干净后，将聚二甲基硅氧烷浇注到阳极氧化铝模板上，75°C在真空干燥箱钟加热1小时固化；
10.在乙醇溶液中浸泡半小时，剥落氧化铝膜，在高聚物的表面形成一层纳米微柱；
11．把制得的高聚物在等离子照射仪中照射3分钟，把照射后的聚二甲基硅氧烷高聚物在1%的聚乙烯醇溶液中浸泡20分钟，拿出后用电吹风吹干。
修饰后的PDMS表面接触角的变化检测实施步骤：
1．把PDMS片放在操作台上，从接触角仪释放一滴去离子水，每次的水滴大小保持基本一致；
2．用接触角仪自带软件的量角法量出接触角的大小并记录。
修饰后的PDMS可以用来培养细胞，纳米结构和PVA都会对细胞的成长产生重要的影响。具体实施步骤如下：
1．分别制作平板的PDMS，平板并用PVA修饰的PDMS，有纳米结构的PDMS和有纳米结构并用PVA修饰的PDMS，剪成合适的大小放入24孔板中；
2．细胞接种：用0.25%胰蛋白酶消化单层C6细胞，用含10%胎牛血清的DMEM培养液配成单个细胞悬液，将细胞接种到铺有PDMS的24孔板中；
3．细胞培养，将24孔板放入CO2孵箱，在37°C、5%CO2及饱和湿度条件下，分别培养1天，2天和3天；
4．吸去培养液，在倒置显微镜下观察细胞形态；
5．用0.25%胰蛋白酶消化细胞，用细胞计数板分别计算出各种PDMS上生长的细胞数。
图1为原子力显微镜测得的平板PDMS的高度图；图2为原子力显微镜测得的具有纳米结构的PDMS的高度图；本发明的纳米结构用原子力显微镜检测，通过模板法得到的表面与平板有明显的差异，PDMS表面出现100~200nm的结构，说明用这种模板法可以成功地把氧化铝表面的结构复制到PDMS上。
图3为各种修饰后PDMS的ATR-FTIR图；本发明的PVA修饰用表面红外ATR-FTIR检测，a是平板PDMS的曲线；b是具有纳米结构的PDMS的曲线；c是 PVA修饰的具有纳米结构的PDMS的曲线，三种PDMS都在2950 cm−1与2970 cm−1之间出现强峰，这是Si–CH3的特征峰，而PVA修饰的具有纳米结构的PDMS在3000到3800 cm−1之间出现的宽峰正是–OH的特征峰，说明PVA成功地修饰在了PDMS表面。
图4为各种修饰的具有纳米结构的PDMS在等离子照射1分钟后表面亲水性的变化；图5为各种修饰的平板的PDMS在等离子照射1分钟后表面亲水性的变化；图4中：1是具有纳米结构的PDMS的曲线变化；2是具有纳米结构的PDMS经等离子照射1分钟的曲线变化；3是PVA修饰的具有纳米结构的PDMS经等离子照射1分钟的曲线变化；图5中：4是平板PDMS的曲线变化；5是平板PDMS经等离子照射1分钟的曲线变化；6是PVA修饰的平板PDMS经等离子照射1分钟的曲线变化；物理化学同时修饰后的PDMS会呈现出亲水性表面，且这种性质较之等离子照射具有良好的稳定性。首先制备了两种PDMS，即平板的和具有纳米结构的，把这两种PDMS分别进行了三种不同的处理：1. 未经任何处理，2. 等离子体处理，3. PVA修饰随后等离子体处理。在六小时内每过一小时记录接触角的变化，实验结果表明，等离子照射会使PDMS表面接触角迅速下降，但是4小时内接触角又迅速接近原有水平，这与现有文献的等离子照射能改变PDMS表面性质但是不能持续长时间的报道相符，而PVA的影响却能持续比较长的时间，比较图4与图5中的1和4及2和5，可以发现单纯的物理修饰对表面亲水性的改变不是很大，但是比较两图的3和6可以发现物理修饰对化学修饰有很明显的促进作用，所有样品中，PVA修饰的具有纳米结构的PDMS具有最好的亲水性和稳定性。虽然物理修饰本身不能对表面的亲疏水性有显著影响，但是能为PVA结合提供更多的反应位点，从而增大了PVA的覆盖率，最终促进了化学修饰，这种修饰过的PDMS在放置两周后表面接触角与照射6小时后的相差不超过3%。
图6至图9分别为倒置显微镜下观察到的3天后C6细胞在平板PDMS、PVA修饰的平板PDMS、具有纳米结构的PDMS、PVA修饰的具有纳米结构的PDMS上的生长形态；修饰后的PDMS还能对细胞的生长形态和生长数量产生影响，小鼠神经胶质瘤细胞C6在四种PDMS上进行培养，它们分别是平板PDMS、PVA修饰的平板PDMS、具有纳米结构的PDMS、PVA修饰的具有纳米结构的PDMS。由图可见，在平板PDMS上细胞很分散数量十分有限，PVA修饰的平板PDMS上细胞密度有所增加，从图8可以看出，在具有纳米结构的PDMS上细胞生长的更加伸展，大小形状更加统一，细胞增殖也更加明显，最后，在PVA修饰的有纳米结构的PDMS上细胞的生长有相同的方向，细胞密度大，细胞碎片少，细胞生长状态最好。
图10为C6细胞在各种不同修饰的PDMS上培养1至3天后的生长情况，图中，7是平板PDMS；8是PVA修饰的平板PDMS；9是具有纳米结构的PDMS；10是PVA修饰的具有纳米结构的PDMS。其显示了在上述四种PDMS上分别培养C6细胞，培养时间分别为一天，两天，三天，结果与图4类似，纳米结构对细胞的成长分化具有促进作用，并且能促进PDMS的化学修饰，两者的结合对细胞的生长起到最大的促进作用。
Claims (7)
1.一种聚二甲基硅氧烷表面的物理及化学联合修饰方法，其特征在于，通过电解铝片的方法制得阳极氧化铝膜，将聚二甲基硅氧烷浇注到阳极氧化铝模板上，经固化、脱膜，制作出高聚物的表面纳米结构，然后，通过等离子照射活化高聚物表面，浸泡实现聚乙烯醇（PVA）的修饰，从而引入亲水基团。
2.根据权利要求1所述的聚二甲基硅氧烷表面的物理及化学联合修饰方法，其特征在于，通过电解铝片的方法制得阳极氧化铝膜的具体步骤如下：
（1）、把铝片在乙醇溶液和去离子水里各超声清洗5分钟，在程序升温炉中500°C高温灼烧3小时，消除内应力；
（2）、在体积比为2:2:1的硫酸、磷酸、硝酸混酸溶液中，40°C保持20分钟除去铝表面油脂，用去离子水清洗干净；
（3）、在体积比为2:2:1硫酸、磷酸、水溶液中进行电化学抛光15分钟，保持电流在2A以下，以碳棒为参比电极，取出用去离子水清洗；
（4）、在6%的磷酸中进行一次氧化1小时，电压为55V，用水浴法保持温度15°C以下；
（5）、将上述铝片在质量百分比浓度为6%的磷酸和质量百分比浓度为1.8%的铬酸按体积比1:1混合而成的溶液中，60°C浸泡1小时，除去一次氧化层；
（6）、在6%的磷酸溶液中进行二次氧化1小时，电压为55V，用水浴法保持电解液温度处在15°C以下，制得阳极氧化铝模板。
3.根据权利要求1所述的聚二甲基硅氧烷表面的物理及化学联合修饰方法，其特征在于，在制作出纳米结构的聚二甲基硅氧烷表面修饰PVA的步骤如下：
（1）、配制聚二甲基硅氧烷高聚物，前驱体聚二甲基硅氧烷和固化剂按10:1的质量比例混合均匀；
（2）、在真空干燥箱里抽真空半小时，除去搅拌时产生的气泡；
（3）、阳极氧化铝模板表面用去离子水清洗干净后，将配制好的聚二甲基硅氧烷浇注到阳极氧化铝模板上，75°C在真空干燥箱中加热1小时固化；
（4）、将聚二甲基硅氧烷高聚物固化后的阳极氧化铝模板，放在乙醇溶液中浸泡半小时，剥落氧化铝膜，在高聚物的表面形成一层纳米结构；
（5）、把制得的高聚物在等离子照射仪中照射3分钟；
（6）、把照射后的聚二甲基硅氧烷高聚物在1%的聚乙烯醇溶液中浸泡20分钟，拿出后用电吹风吹干。
4.根据权利要求1或2或3所述的聚二甲基硅氧烷表面的物理及化学联合修饰方法，其特征在于，所采用的铝片纯度为99.9%，厚度为0.2mm，面积为18mm2。
5.根据权利要求1或2或3所述的聚二甲基硅氧烷表面的物理及化学联合修饰方法，其特征在于，所采用的酸都是浓酸，乙醇浓度为95%。
6.根据权利要求1或2或3所述的聚二甲基硅氧烷表面的物理及化学联合修饰方法，其特征在于，本发明的实验环境是在室内，一个大气压下。
7.根据权利要求1或2或3所述的聚二甲基硅氧烷表面的物理及化学联合修饰方法，其特征在于，制备氧化铝模板时，铝片与导线连接处保持在电解液上面，且用绝缘胶带缠绕保护。
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