光电响应型纳米颗粒复合取向微纤维、细胞装载的光电刺激神经支架及其制备方法技术

本发明专利技术公开了具有生物活性的光电响应型纳米颗粒复合取向微纤维及其制备方法，该复合取向微纤维由PCL微纤维，以及依次包覆于PCL微纤维表面的胶原蛋白和亲水性P3HT纳米颗粒构成。所述亲水性P3HT纳米颗粒由半导体聚合物P3HT经十二烷基硫酸钠(SDS)和正丙醇进行表面改性得到。本发明专利技术在不改变微纤维微观结构的同时，赋予微纤维生物活性和光电响应性。本发明专利技术进一步公开了细胞装载的光电刺激神经支架，将细胞接种于成型的光电响应型纳米颗粒复合取向微纤维材料表面得到，其具有高度取向性，取向结构可诱导神经细胞取向生长，模拟天然神经细胞中神经元沿神经纤维方向排列。细胞中神经元沿神经纤维方向排列。细胞中神经元沿神经纤维方向排列。

【技术实现步骤摘要】
光电响应型纳米颗粒复合取向微纤维、细胞装载的光电刺激神经支架及其制备方法


[0001]本专利技术属于生物医学材料和生物医学工程
，涉及具有生物活性的光电响应型纳米颗粒复合取向微纤维及用于可光电刺激的取向神经支架及其制备。

技术介绍

[0002]天然神经组织具有多级定向结构，它由取向排列的神经束组成，而神经束又由具有微米尺度的神经纤维组成，在神经纤维中，雪旺细胞定向排列生长形成髓鞘，而神经元的轴突沿髓鞘定向生长。
[0003]在神经组织中，电信号作为神经细胞之间交流的主要介质，因此其对神经细胞的生长、分化和功能表达起到至关重要的作用。神经组织在受损后自我恢复能力极其有限，近年来，大量文献报道通过电活性生物材料(如金属纳米粒子、碳基纳米材料、以及导电聚合物等)制备导电的神经支架，辅以外部的电刺激，可以促进干细胞的神经分化及神经细胞的粘附、轴突的生长，在体内神经损伤模型中，导电支架及其介导的电刺激可以促进受损组织的修复以及功能的恢复。然而，外加电场刺激需要使用外部电源以及复杂的电线系统从而对细胞或组织进行有效的电刺激。此外，在体内实验及实际临床模型中，电源通过电极和电线与身体相连，这样的装置不方便且安全性亟待提高。因此，迫切需要开发便携、安全的持久自供电的新型神经支架电刺激系统。与传统电刺激相比，可将光信号转化成电信号的光电刺激为神经界面提供了无线远程刺激的新思路。无机半导体材料(如硅基材料)在临床中有一定的应用，但是其应用受限于低的光吸收效率、远远高于天然神经组织的力学强度以及较差的生物相容性。相比之下，半导体聚合物材料具有较高的光吸收效率，可调的光电性质，在太阳能电池等领域已有广泛的应用。另一方面，有机半导体材料的力学性能与天然软组织相匹配，并且生物相容性较好，易与其他生物活性材料结合，从而制备适宜的光电刺激神经支架。在这其中，太阳能电池和光传感器的代表性光敏聚合物聚(3
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己基噻吩)(P3HT)因其良好的生物相容性、较宽的可见光吸收(主要为绿光)、高的光电转换效率受到了许多研究者的青睐。
[0004]Kisuk Yang等人报道了一项制备光电活性的P3HT制备的纳米网络基质材料用于促进人的神经干细胞(hNSCs)的神经发生的研究，通过冷却
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加热循环与旋转喷涂技术分别制备了P3HT纳米棒和纳米纤维。相比于在普通培养板、P3HT纳米棒基底和P3HT平板基底，培养在P3HT纳米纤维基底表面的hNSCs细胞在定期的539nm绿光照射后向神经元方向分化更明显，培养7天后表现出成熟神经元的电生理行为(Yang,Kisuk,et al."Photoactive poly(3
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hexylthiophene)nanoweb for optoelectrical stimulation to enhance neurogenesis of human stem cells."Theranostics 7.18(2017):4591.)。然而，这种制备P3HT纳米网络的方法较为繁琐，只涉及了P3HT一种材料的使用，制备的支架的生物相容性不够理想，并且其中纳米结构随机排列，与取向的天然神经组织相去甚远。Yingjie Wu等人报道了一项利用聚己内酯(PCL)与P3HT制备支架材料用于类神经细胞无线刺激的研究，
通过静电纺丝技术共纺制备PCL与P3HT的混合微米纤维，调节静电纺丝参数可以获得不同取向排列度和直径的微纤维。相比于随机排列的微纤维，定向排列的混合纳米纤维上培养的类神经细胞定向生长更好，伸出的轴突更长，此外，在定期绿光LED灯的照射下的细胞的轴突也比无照射组的更长(Wu,Yingjie,et al."Photoconductive micro/nano
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scale interfaces of a semiconducting polymer for wireless stimulation of neuron
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like cells."ACS Applied Materials&Interfaces(2019).)。虽然这种制备光电刺激神经支架的方法实现了取向拓扑结构的构建，促进了细胞的取向生长，但是由于P3HT和PCL的细胞相容性有限，P3HT极疏水，且其细胞粘附位点有限，不利于细胞生长。此外，P3HT原料价格昂贵，而静电纺丝技术需要大量原料，因此其在神经支架材料中的应用有限。
[0005]综上所述，目前报道的光电刺激神经支架由于生物相容性较差、材料制备工艺较为复杂、制备成本高或者缺少取向的微结构等缺陷，从而导致其难以适用于神经再生研究。研究一种具有取向微结构、优异生物相容性、成本较低的可光电刺激神经支架，对研究神经再生具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的旨在针对上述现有技术中的不足，提供一种具有生物活性的光电响应型纳米颗粒复合取向微纤维及其制备方法，得到具有取向的微结构、理化性质稳定，光电转化效率优异、生物活性好的微纤维，可以实现神经细胞的无线刺激，并降低制备工艺难度、成本，提高制备效率。
[0007]本专利技术的另一目的在于提供一种高取向神经支架及其制备方法，所制备的神经支架可模拟神经组织中的定向结构，且具有光电响应型，在光照射条件下产生电流，促进支架表面神经细胞生长。
[0008]本专利技术提供的具有生物活性的光电响应型纳米颗粒复合取向微纤维，其由PCL微纤维，以及依次包覆于PCL微纤维表面的胶原蛋白和亲水性P3HT纳米颗粒构成。所述亲水性P3HT纳米颗粒由半导体聚合物P3HT经十二烷基硫酸钠(SDS)和正丙醇进行表面改性得到。在不改变微纤维微观结构的同时，赋予微纤维生物活性和光电响应性。在优选实现方式中，所述PCL微纤维直径约为5μm；进一步胶原蛋白浓度为30
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120μg/cm2；P3HT纳米颗粒浓度为25
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50μg/cm2。
[0009]本专利技术进一步提供了一种光电响应型纳米颗粒复合取向微纤维的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
[0010](1)制备亲水性P3HT纳米颗粒
[0011]室温下，将半导体聚合物P3HT溶于第一有机溶剂，形成P3HT浓度为1
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10mg/mL的第一溶液；将阴离子表面活性剂溶于去离子水形成浓度为1
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10mmol/L的第二溶液，以体积比1:(50
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100)的比例向第二溶液中加入助表面活性剂形成第三溶液；将第一溶液与第三溶液等体积混合，经超声反应形成微乳液，然后在搅拌条件下蒸发第一有机溶剂形成P3HT纳米颗粒水分散液；
[0012](2)制备取向PCL微纤维
[0013]将PCL溶于第二有机溶剂得到质量分数10％
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20％的PCL溶液，以PCL溶液为原料，采用静电纺丝方法制备得到PCL微纤维；
[0014](3)微纤维上静电喷涂胶原蛋白
[0015]将胶原蛋白溶于去离子水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光电响应型纳米颗粒复合取向微纤维，其特征在于，由PCL微纤维，以及依次包覆于PCL微纤维表面的胶原蛋白和亲水性P3HT纳米颗粒构成。2.根据权利要求1所述的光电响应型纳米颗粒复合取向微纤维，其特征在于，所述亲水性P3HT纳米颗粒由半导体聚合物P3HT经十二烷基硫酸钠和正丙醇进行表面改性得到。3.根据权利要求1或2所述的光电响应型纳米颗粒复合取向微纤维，其特征在于，所述胶原蛋白浓度为30
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120μg/cm2；P3HT纳米颗粒浓度为25
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50μg/cm2。4.权利要求1至3任一项所述的光电响应型纳米颗粒复合取向微纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备亲水性P3HT纳米颗粒室温下，将半导体聚合物P3HT溶于第一有机溶剂，形成P3HT浓度为1
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10mg/mL的第一溶液；将阴离子表面活性剂溶于去离子水形成浓度为1
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10mmol/L的第二溶液，以体积比1:(50
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100)的比例向第二溶液中加入助表面活性剂形成第三溶液；将第一溶液与第三溶液等体积混合，经超声反应形成微乳液，然后在搅拌条件下蒸发第一有机溶剂形成P3HT纳米颗粒水分散液；(2)制备取向PCL微纤维将PCL溶于第二有机溶剂得到质量分数10％
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20％的PCL溶液，以PCL溶液为原料，采用静电纺丝方法制备得到PCL微纤维；(3)微纤维上静电喷涂胶原蛋白将胶原蛋白溶于去离子水，形成浓度为0.5
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2mg/mL的胶原蛋白溶液；采用静电喷涂方法使胶原蛋白溶液均匀喷涂至步骤(2)制备的PCL微纤维表面，得到胶原
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PCL微纤维；(4)微纤维上静电喷涂亲水性P3HT纳米颗粒采用静电喷涂方法，将步骤(1)制备的P3HT纳米颗粒水分...

【专利技术属性】
技术研发人员：范红松，吴承恒，陈素萍，陈露，孙静，罗红蓉，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：