Name: 制造超疏水高分子材料生物医学应用 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-08-28T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 22 s
Description: 学习利用静电纺丝和电喷雾技术制造超疏水生物可降解高分子纤维网及微粒涂层，通过调节共聚物比例调控表面润湿性。该方法适用于药物控释等生物医学应用。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

本研究部分由波士顿大学（BU）和美国国立卫生研究院（NIH）资助项目R01CA149561提供资金支持。作者谨此感谢静电纺丝/电喷雾团队的Stefan Yohe、Eric Falde、Joseph Hersey和Julia Wang，他们在超疏水生物材料的制备与表征过程中提供了有益的讨论和贡献。

1. 合成可功能化的聚(1,3-甘油碳酸酯-共聚-己内酯)29 和聚(1,3-甘油碳酸酯-共聚-丙交酯)27,28。
<ol>
	<li>单体合成。
	<ol>
		<li>溶解 顺式-2-苯基-1,3-二氧六环-5-醇（50 g，0.28 mol，1 当量）溶于 500 ml 干燥四氢呋喃（THF）中，在氮气保护下冰浴搅拌。加入经研钵研细的氢氧化钾（33.5 g，0.84 mol，3 当量）。将反应瓶置于冰浴中。</li>
		<li>在冰浴中搅拌下，将49.6 ml苯甲基溴（71.32 g，0.42 mol，1.5当量）逐滴加入。在氮气氛围下，继续搅拌使反应液缓慢升至室温，并在室温下反应24小时。</li>
		<li>加入150 ml蒸馏水溶解氢氧化钾，并通过旋转蒸发去除四氢呋喃。</li>
		<li>在1 L分液漏斗中，用200 ml二氯甲烷（DCM）萃取剩余物质，重复萃取两次。</li>
		<li>用硫酸钠干燥有机相。</li>
		<li>向溶液中加入600 ml无水乙醇，充分混匀，于-20 °C下静置过夜，使产物结晶。产物可在-20 °C下保存数天后再进行后续步骤。</li>
		<li>通过布氏漏斗减压过滤分离产物，并在高真空下干燥。产物可在进行后续步骤前储存数天。此步骤的典型产率约为80%。</li>
		<li>在1 L圆底烧瓶中，将步骤1.1.7中获得的产物悬浮于甲醇（300 ml）中，加入150 ml 2 N盐酸，于80 °C回流反应2小时。</li>
		<li>蒸发溶剂，并在高真空下放置24小时。此步骤的产率通常为 &#62;98%.</li>
		<li>将1.1.9产物溶于四氢呋喃（650 ml）中，转移至2 L圆底烧瓶。将烧瓶置于冰浴中，在氮气氛围下搅拌。在氮气氛围下向烧瓶中加入22.4 ml氯甲酸乙酯（25.6 g，0.29 mol，2当量）。</li>
		<li>将32.8 ml三乙胺（0.29 mol，2当量）加入恒压滴液漏斗中，与等体积的四氢呋喃混合。将恒压滴液漏斗置于圆底烧瓶上，并在氮气氛围下保持。</li>
		<li>在冰浴中，于圆底烧瓶内一边剧烈搅拌，一边小心地将三乙胺/四氢呋喃混合液逐滴加入。注意：该反应为放热反应。为防止温度迅速升高，加入三乙胺/四氢呋喃溶液的速度不得超过每秒1滴。加完全部体积后，在室温下继续搅拌反应4小时，或持续反应24小时。</li>
		<li>使用布氏漏斗过滤除去三乙胺盐酸盐。在旋转蒸发仪上蒸发溶剂。</li>
		<li>向烧瓶中加入二氯甲烷（200 ml），轻轻加热至残余物溶解。边旋摇边加入120 ml乙醚。于-20 °C下静置过夜，使产物结晶。</li>
		<li>过滤单体晶体，并在聚合前重新结晶。单体产物可密封保存于室温下两周，或于-20 °C长期保存。通过以下方法确认产物： 1核磁共振氢谱（H NMR）、质谱和元素分析。该单体合成最后一步的典型产率在40–60%之间。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>D,L-丙交酯/ε-己内酯与5-苄氧基-1,3-二氧六环-2-酮的共聚反应
	<ol>
		<li>将硅油浴加热至 140 °C。</li>
		<li>称取2.1 g 5-苄氧基-1,3-二氧六环-2-酮（按1.1步骤制备），加入至一个干燥的100 ml圆底烧瓶中。若进行共聚反应 D,L-丙交酯，称取5.7 g并加入烧瓶中。加入磁力搅拌子，用橡胶塞密封烧瓶。
		<ol>
			<li>另取240 mg（过量）辛酸亚锡置于小型梨形烧瓶中。该聚合反应将得到含20 mol%甘油碳酸酯单体组成的共聚物。可通过调整单体质量以获得不同的单体组成。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>在施伦克管线上用氮气对两个烧瓶吹扫 5 分钟&#160;并在氮气氛围下加入4.24 ml ε-己内酯。抽真空至高真空状态（300 mTorr），维持15分钟&#160;以去除痕量水分。</li>
		<li>用氮气重新充盈烧瓶内的气氛；重复此循环两次。</li>
		<li>在氮气环境下，将500 µl干燥甲苯与锡催化剂混合。</li>
		<li>将单体烧瓶置于140 °C油浴中，待所有固体完全熔化后加入催化剂。催化剂混合物的总体积应约为100 µl。在140 °C下保持不超过24小时，随后将熔融聚合物冷却至室温。立即或至少24小时后进行后续步骤&#160;稍后。</li>
		<li>将聚合物溶解于二氯甲烷（50 ml）中，并在冷甲醇（200 ml ）中沉淀。倾去上清液，高真空下干燥。后续步骤可立即进行，也可在任意时间点进行。将聚合物储存于冷冻器中以备后续使用。典型的聚合产率/转化率在80–95%之间。</li>
		<li>执行 1通过核磁共振氢谱（1H NMR）分析确定共聚单体的摩尔比。将聚合物溶解于氘代氯仿（CDCl3）中。3）并积分碳酸酯单体在 4.58–4.68 ppm 处的苄基质子峰；将该峰面积与 PCL 在 2.3 ppm 处的亚甲基峰和 PLGA 在 5.2 ppm 处的次甲基峰面积进行比较。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>聚合物改性：脱保护与接枝
	<ol>
		<li>在高压氢化反应釜中，将聚合物（约 7 g）溶于 120 ml 四氢呋喃（THF）中。称重并加入钯碳催化剂（约 2 g）。</li>
		<li>使用氢化装置向反应容器中通入氢气。在50 psi压力下氢化4小时。注意：氢气极易燃。操作前请向熟悉该实验流程的人员寻求协助，并始终检查供气管路是否存在泄漏。</li>
		<li>使用硅藻土填充床过滤除去钯-碳催化剂。在旋转蒸发下将聚合物浓缩至约50 ml，并沉淀入冷甲醇中。注意：干燥的钯颗粒可能自燃。操作时应备好湿毛巾，以扑灭可能的明火。向钯/碳滤饼中加入水，以保持其团聚状态并防止点燃。请向熟悉该操作的人员寻求协助。</li>
		<li>弃去上清液，在高真空下干燥。通过观察4.65 ppm处峰的消失来确认完全转化为游离羟基。1CDCl₃ 中的¹H NMR3）。这些聚合物可立即使用，也可保存以备后续使用。此步骤的产率 &#62;90%.</li>
		<li>将聚合物和硬脂酸（1.5 当量）溶于 500 ml 干燥的二氯甲烷（DCM）中。加入 N,N’-二环己基碳二亚胺（DCC，2.0 当量）和 3 片 4-二甲基氨基吡啶。在氮气氛围下室温搅拌 24 小时。</li>
		<li>通过一系列重复过滤和浓缩，去除不溶性的N,N’-二环己基脲。最后将溶液浓缩至50 ml。</li>
		<li>将聚合物沉淀至冷甲醇（约175 ml）中，倾去上清液。在高真空条件下干燥聚合物过夜。这些聚合物可在任意时间后续使用，但长期储存时应置于冷冻冰箱中。该最终修饰步骤的产率通常为85–90%。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

2. 表征合成的共聚物
<ol>
	<li>称取约 10 mg 聚合物（记录实际质量），加入铝制样品坩埚中，然后密封。将样品坩埚和一个空的（参比）坩埚装入差示扫描量热仪中。</li>
	<li>设置一个升温-降温-再升温（“加热/冷却/加热”）循环程序：1）以 10 °C/min 的速率从 20 °C 加热至 225 °C，2）以 5 °C/min 的速率冷却至 -75 °C，3）再以 10 °C/min 的速率加热至 225 °C。</li>
	<li>根据热流曲线（如适用）确定熔点（Tm）、结晶温度（Tc）和玻璃化转变温度（Tg），以及熔融焓（ΔHf）。</li>
	<li>将每种合成的共聚物溶解于 THF 中（1 mg/ml），并通过 0.02-µm 聚四氟乙烯（PTFE）滤膜过滤。将滤液注入凝胶渗透色谱系统，与一系列聚苯乙烯标准品的保留时间进行比较。</li>
</ol>
3. 电纺/电喷聚合物溶液的制备27,31
<ol>
	<li>将聚合物溶解于合适的溶剂中，浓度为10–40 wt%，例如PCL使用氯仿/甲醇（5:1），PLGA使用四氢呋喃/N,N-二甲基甲酰胺（7:3），过夜溶解。此步骤所需聚合物的质量取决于目标网状结构的尺寸。 
	注意：例如，制备约300微米厚、10厘米×10厘米的纤维膜通常需要1克材料。需注意的是，在本方案的后续步骤中可能会发生材料损失，例如在将溶液转移至注射器的过程中（特别是对于黏性较高的溶液），以及可选连接管和针头外壳中存在的死体积均会导致电纺丝产率降低。这些损失可能导致最多20%的材料损耗，因此建议将材料量放大1.5倍，以弥补这些损耗，同时考虑到首次进行该操作时优化电纺丝参数过程中可能产生的额外损耗。
	<ol>
		<li>通过调整聚合物总浓度来控制纤维尺寸，预计浓度较高的溶液会形成更粗的纤维。若需适度增强疏水性，可使用占聚合物总质量10%的超疏水掺杂剂。若需制备高度疏水/超疏水材料，可使用30–50%的掺杂剂和/或降低聚合物总浓度。即，减小纤维尺寸）。使用这些溶液的后续实验可在第二天或之后一周内进行。</li>
		<li>用于电喷雾时，配制较低浓度的溶液（即，2-10%）溶于氯仿等合适溶剂中。与静电纺丝类似，通过调节聚合物浓度来调控颗粒尺寸。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>涡旋聚合物溶液以充分混匀。静置5分钟，使大气泡消散。</li>
	<li>将溶液装入玻璃注射器中。根据溶液的黏度，可先取出活塞，直接将溶液倒入注射器内。使用一段惰性、柔韧的软管有助于在静电纺丝装置中操作。将注射器倒置，使空气通过软管/针头组件排出。</li>
</ol>
4. 聚合物溶液的静电纺丝/静电喷雾
<ol>
	<li>将注射器安装到注射泵上，设定总体积（例如，4.5 ml）和速率（例如，以5 ml/小时的速度分配该溶液。</li>
	<li>用铝箔覆盖收集板，以便后续取出和转移。使用美纹纸胶带沿铝箔外边缘固定。</li>
	<li>将高压直流（HVDC）电源线连接至针尖。针尖与收集器之间的距离是一个需要考虑的重要变量，因为它 1）影响给定电压下的电场强度，以及 2）影响溶剂的蒸发及纤维在收集过程中的相应干燥。
	<ol>
		<li>初次尝试时，建议使用15 cm的针尖至收集器距离。注意：静电纺丝/静电喷雾涉及高电压和易燃溶剂。应提供通向室外排风的充分通风，且在确认高压直流电源已关闭之前，切勿触碰注射器/针头或打开封闭装置。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>若需进行大面积的电纺丝/电喷雾，开启旋转和平移收集滚筒；否则，继续下一步操作。</li>
	<li>启动注射泵。</li>
	<li>打开高压电源并调节电压，以形成理想的泰勒锥。若针尖处液面下垂，需提高电压；若出现多股射流，则需降低电压。除调节电压外，若收集到的纤维/颗粒呈现湿润状态，或调节电压无法有效解决针尖液滴拖拽问题时，可能还需调整针尖与收集器之间的距离。 
	注：有关详细的故障排除，请参见Leach及其同事提供的全面静电纺丝优化流程47电喷雾通常比静电纺丝需要更高的电压和更低的溶液浓度。</li>
	<li>关闭高压电源，然后关闭注射泵和电动滚筒（如适用）。让静电纺丝装置继续通风30分钟。</li>
	<li>从收集器上取下网状物/涂层，置于通风橱中过夜以使残留溶剂挥发。材料可在室温下保存至少两周（PLGA）或两个月（PCL）。步骤 4.5–4.8 可按任意顺序进行。</li>
</ol>
5. 利用光学显微镜和扫描电子显微镜表征纤维和颗粒尺寸
<ol>
	<li>光学显微镜
	<ol>
		<li>若制备静电纺丝膜，需将其切成小片并固定在载玻片上。</li>
		<li>观察纤维直径、节点特征（液滴状或离散状）以及纤维形态（i.e.，串珠状、扁平状、直线/波浪状）。理想的静电纺丝膜纤维应均匀、呈直线或波浪状，且无串珠结构。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>扫描电子显微镜（SEM）
	<ol>
		<li>使用导电铜胶带将膜材料或涂层表面裁切后固定在铝制SEM载样台（stub）上。静电纺丝纤维和电喷涂层也可在涂布前直接将纤维/颗粒沉积于胶带上进行SEM观察。</li>
		<li>通过溅射镀膜法在膜/涂层表面镀上一层薄金/钯（Au/Pd）层（约4 nm）。</li>
		<li>将载样台放入SEM腔室，在1–2 keV条件下进行观察。250倍放大可用于对材料进行整体形貌评估，而更高倍数则可揭示纤维和颗粒的更多特征，例如超疏水纤维的分级结构以及颗粒涂层的相互连通性。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. 确定非润湿特性
<ol>
	<li>采用体积变化法测量前进角和后退角水接触角
	<ol>
		<li>裁剪细条状（0.5 cm × 5 cm）的网状材料或涂层材料（如可行），并将其放置在接触角测量仪的载物台上。</li>
		<li>在将液滴从24 AWG规格的注射器针头滴加到材料表面的同时，捕捉水滴的轮廓图像。
		<ol>
			<li>具体操作为：首先形成一个约5 µl的水滴，并使其接触材料表面。随后缓慢增加液滴体积至20–25 µl，同时持续捕捉液滴图像，该图像代表前进角水接触角。针尖尺寸应远小于液滴，且毛细长度应大于液滴尺寸，以最大限度减少液滴形状的畸变。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>在持续捕捉液滴轮廓图像的同时，缓慢回撤同一液滴。在多个样品的不同表面位置重复该过程，以获得平均值——通常，对前进角和后退角接触角各进行10次测量，足以表征这些材料。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过更换探针液体测定材料的临界表面张力
	<ol>
		<li>配制乙醇、丙二醇或乙二醇含量不同的溶液，这些混合液具有已知的表面张力99-101。
		<ol>
			<li>或者，使用具有不同表面张力的溶剂，例如：水（72 mN/m）、甘油（64 mN/m）、二甲基亚砜（44 mN/m）、苯甲醇（39 mN/m）、1,4-二氧六环（33 mN/m）、1-辛醇（28 mN/m）和丙酮（25 mN/m）。需注意选择不会溶解聚合物的溶剂，以免干扰实验结果。此外，需注意这些液体除表面张力不同外，其黏度也各不相同，可能影响接触角测量结果，这是该方法的一个局限性。</li>
			<li>测量上述溶液在材料表面的接触角，并绘制接触角随表面张力变化的曲线图。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
7. 检测网状材料的整体润湿性31
<ol>
	<li>利用显微计算机断层扫描（µCT）观察水在三维网格结构中的渗透情况。
	<ol>
		<li>制备浓度为 80 mg/ml 的碘克沙酸盐（一种含碘造影剂）水溶液。</li>
		<li>将网格结构浸入上述溶液中，并在 37 °C 下孵育；通过 µCT（体素分辨率为 18 µm3，管电压 70 kVP，电流 114 µA，积分时间 300 msec）定期检测造影剂（水）的渗透情况。</li>
		<li>使用图像处理软件测量网格厚度方向上的像素强度，其中高亮度像素代表水的渗透。选择一个像素强度阈值（约 1500），高于该阈值的强度表示水的渗透。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
8. 测试网片的机械性能
<ol>
	<li>将网状材料裁剪为 1 cm × 7 cm，置于拉伸试验仪的夹具之间。测量其准确的宽度、长度和厚度。</li>
	<li>对三个样品进行拉伸速率测试。利用所得数据绘制应力-应变曲线，以确定弹性模量、极限抗拉强度和断裂伸长率。</li>
</ol>

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

我们利用生物医学聚合物构建超疏水材料的方法，结合了合成聚合物化学与静电纺丝和电喷雾这两种聚合物加工技术。这些技术分别可制备出纤维或颗粒。具体而言，本方法用于制备基于聚己内酯和聚（乳酸-共-乙醇酸）的超疏水材料。通过调节疏水性共聚物的组成、共聚物在最终聚合物共混物中的百分比、纤维/颗粒尺寸、聚合物总体质量百分比以及制备条件，可调控所得静电纺丝/电喷雾材料的润湿性。本研究所制备的材料由无毒且生物相容性的聚合物构成，在接触水时具有亚稳定的空气屏障。
本方案中的关键步骤包括：1）通过开环聚合反应合成共聚物；2）将这些共聚物与PCL或PLGA等相应的生物医学聚合物进行静电纺丝或电喷雾处理；以及3）表征其形貌、不润湿性/疏水性、力学性能以及体外/in vitro和体内/in vivo生物相容性。如果在聚合物合成、修饰和/或静电纺丝过程中遇到困难，以下技术将有助于识别并解决这些问题。
确保单体的纯度至关重要，需避免其含有痕量水分（例如来自空气中的水分）。水的存在可能会阻止或终止聚合反应，...

超疏水表面通常被定义为具有大于150°的表观水接触角，并表现出低接触角滞后现象。这类表面通过在低表面能材料上引入高表面粗糙度而制备，从而形成气-液-固界面，以抵抗润湿1-6。根据制备方法的不同，可制备出单层或多层超疏水表面、多层超疏水基底涂层，甚至整体式超疏水结构。这种永久性或半永久性的防水性能是一种有用的特性，可用于制备自清洁表面7、微流控装置8、抗污损细胞/蛋白质表面9,10、减阻表面11以及药物递送装置12-15。近年来，已有研究报道了具有刺激响应性的超疏水材料，其非润湿状态向润湿状态的转变可由化学、物理或环境信号触发（例如，光、pH、温度、超声波以及外加电势/电流）14,16-20，这些材料正被应用于更多新兴领域21-25。
最早的合成超疏水表面是通过用甲基二卤代硅烷处理材料表面制备而成的26，且在生物医学应用中价值有限，因为所使用的材料并不适合 体内 在此，我们描述了由生物相容性聚合物制备表面和整体超疏水材料的方法。该方法包括通过静电纺丝或电喷雾技术，将一种以可生物降解、生物相容性脂肪族聚酯为主要组分的聚合物混合物进行加工，并掺杂由该聚酯与硬脂酸盐修饰的聚（甘油碳酸酯）组成的疏水性共聚物。27-30制造技术分别在纤维或颗粒的表面及内部提供了增强的表面粗糙度和孔隙率，而使用共聚物掺杂剂则提供了一种低表面能的聚合物，该聚合物可与聚酯均匀混合，并能稳定地进行静电纺丝或静电喷雾。27,31,32.
聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PGA）、聚乳酸-共-乙醇酸（PLGA）和聚己内酯（PCL）等脂肪族可生物降解聚酯是一类在临床批准的医疗器械中广泛应用并在生物医学材料研究中备受关注的高分子材料，因其具有无毒、可生物降解以及易于合成等优点33。PGA 和 PLGA 分别于20世纪60年代和70年代初首次作为可生物吸收缝合线进入临床应用34-37。此后，这些聚羟基酸已被加工成多种针对特定应用的形态，如微粒38,39和纳米粒子40,41、薄片/圆盘42、网状结构27,43、泡沫材料44以及薄膜45。
脂肪族聚酯及其他具有生物医学应用价值的聚合物可通过静电纺丝技术制备出具有高比表面积、高孔隙率以及良好拉伸强度的纳米或微米纤维网状结构。表1列出了用于各种生物医学应用的静电纺丝合成聚合物及其相应的参考文献。静电纺丝和电喷雾是快速且可商业化放大的技术。这两种相似的技术均依赖于施加高电压（静电排斥力），以克服聚合物溶液或熔体在注射泵装置中朝向接地靶材移动时的表面张力46,47。当该技术与低表面能聚合物（如疏水性聚合物聚（丙交酯-co-甘油单硬脂酸酯））结合使用时，所得材料表现出超疏水性。
为说明这种利用生物医学聚合物构建超疏水材料的通用合成与材料加工方法，我们描述了超疏水聚己内酯和聚（丙交酯-co-乙交酯)-基材料作为代表性示例。相应的共聚物掺杂剂聚(己内酯-co单硬脂酸甘油酯和聚（丙交酯-co-单硬脂酸甘油酯）首先被合成，然后与聚己内酯和聚（乳酸-co-乙交酯)进行处理，最后通过电纺或电喷技术制备。所得材料通过扫描电镜成像和接触角测量仪进行表征，并进行测试以 体外 和 体内 生物相容性。最后，采用对比增强型显微计算机断层扫描技术，研究通过三维超疏水网格的体相润湿现象。

<table><tbody><tr><td>硅油</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>85409</td><td></td></tr><tr><td>顺-2-苯基-1,3-二氧六环-5-醇</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>13468</td><td></td></tr><tr><td>苄基溴</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>B17905</td><td>有毒，具刺激性/对眼睛有刺激作用，需在化学通风橱中使用</td></tr><tr><td>氢氧化钾</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>221473</td><td>腐蚀性</td></tr><tr><td>旋转蒸发仪</td><td>Buchi</td><td>R-124</td><td></td></tr><tr><td>高真空泵</td><td>Welch</td><td>8907</td><td></td></tr><tr><td>氮气，超高纯度</td><td>Airgas</td><td>NI UHP300</td><td>压缩气体</td></tr><tr><td>四氢呋喃，以BHT稳定</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>346000</td><td>易燃。通过XXX柱干燥</td></tr><tr><td>二氯甲烷</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>313000</td><td>易燃，有毒。</td></tr><tr><td>分液漏斗（1 L）</td><td>Fisher Scientific</td><td>13-678-606</td><td></td></tr><tr><td>硫酸钠</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>239313</td><td></td></tr><tr><td>乙醇，绝对</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>111USP200</td><td>易燃，有毒。</td></tr><tr><td>布氏漏斗</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB-966-F</td><td></td></tr><tr><td>甲醇</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>339000ACS</td><td>易燃，有毒。</td></tr><tr><td>盐酸</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>320331</td><td>腐蚀性。用蒸馏水稀释至2N。</td></tr><tr><td>氯甲酸乙酯，97%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>185892</td><td>有毒、易燃、对环境有害</td></tr><tr><td>三乙胺（无水）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>471283</td><td>有毒、易燃、对环境有害</td></tr><tr><td>乙醚</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>373ANHACS</td><td>高度易燃。通过XXX柱纯化。</td></tr><tr><td>3,6-二甲基-1,4-二氧六环-2,5-二酮（D,L-丙交酯）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>303143</td><td></td></tr><tr><td>辛酸亚锡</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S3252</td><td>有毒的。</td></tr><tr><td>&amp;epsilon;ε-己内酯（97%）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>704067</td><td></td></tr><tr><td>甲苯，无水</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>244511</td><td>易燃，有毒。</td></tr><tr><td>玻璃注射器</td><td>Hamilton公司</td><td>1700系列</td><td></td></tr><tr><td>氘代氯仿</td><td>剑桥同位素实验室公司</td><td>DLM-29-10</td><td>有毒的</td></tr><tr><td>核磁共振仪</td><td>Varian</td><td>V400</td><td></td></tr><tr><td>碳载钯催化剂</td><td>Strem Chemicals, Inc.</td><td>46-1707</td><td></td></tr><tr><td>加氢装置</td><td>帕尔</td><td>3911</td><td></td></tr><tr><td>氢化反应摇床容器</td><td>帕尔</td><td>66CA</td><td></td></tr><tr><td>氢</td><td>Airgas</td><td>HY HP300</td><td>高度易燃。</td></tr><tr><td>硅藻土</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>22140</td><td></td></tr><tr><td>2H,2H,3H,3H-全氟壬酸</td><td>Oakwood Products, Inc.</td><td>10519</td><td>有毒的。</td></tr><tr><td>硬脂酸</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S4751</td><td></td></tr><tr><td>N,N&amp;rsquo;二环己基碳二亚胺</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D80002</td><td>有毒，刺激性。</td></tr><tr><td>4-(二甲氨基)吡啶</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>107700</td><td>有毒的。</td></tr><tr><td>己烷</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>359000ACS</td><td>有毒，易燃。</td></tr><tr><td>凝胶渗透色谱（GPC）系统</td><td>Rainin</td><td></td><td></td></tr><tr><td>GPC 柱</td><td>Waters</td><td>WAT044228</td><td></td></tr><tr><td>差示扫描量热仪</td><td>TA Instruments</td><td>Q100</td><td></td></tr><tr><td>氯仿</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>309000ACS</td><td>有毒的。</td></tr><tr><td>N,N-二甲基甲酰胺</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>227056</td><td>有毒，易燃。</td></tr><tr><td>聚己内酯，分子量 70-90 kg/mol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>440744</td><td></td></tr><tr><td>聚（乳酸-共-乙醇酸），分子量 136 kg/mol</td><td>Evonik Industries</td><td>LP-712</td><td></td></tr><tr><td>10 ml 玻璃注射器</td><td>Hamilton Company</td><td>81620</td><td></td></tr><tr><td>18号钝头针</td><td>BRICO 医疗用品</td><td>BN1815</td><td></td></tr><tr><td>电纺丝装置封闭箱</td><td>定制构建</td><td>N/A</td><td>由丙烯酸板制成</td></tr><tr><td>高压直流电源</td><td>Glassman High Voltage, Inc.</td><td>PS/EL30R01.5</td><td>高电压，触电危险</td></tr><tr><td>线性（平移）平台</td><td>Servo Systems 公司</td><td>LPS-12-20-0.2</td><td>可选</td></tr><tr><td>可编程电机 &amp;和电源供应</td><td>Intelligent Motion Systems, Inc.</td><td>MDrive23 Plus</td><td>可选</td></tr><tr><td>24V 直流电机 &amp;和电源供应</td><td>McMaster-Carr</td><td>6331K32</td><td>可选</td></tr><tr><td>铝制集电鼓</td><td>定制构建</td><td></td><td>可选</td></tr><tr><td>注射泵</td><td>Fisher Scientific</td><td>78-0100I</td><td></td></tr><tr><td>倒置光学显微镜</td><td>奥林巴斯</td><td>IX70</td><td></td></tr><tr><td>扫描电子显微镜</td><td>卡尔·蔡司</td><td>Supra V55</td><td></td></tr><tr><td>导电铜箔胶带</td><td>3M</td><td>16072</td><td></td></tr><tr><td>铝制扫描电镜样品台</td><td>电子显微镜科学公司</td><td>75200</td><td></td></tr><tr><td>接触角测量仪</td><td>Kruss</td><td>DSA100</td><td></td></tr><tr><td>丙二醇</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>W294004</td><td>有毒。</td></tr><tr><td>乙二醇</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>324558</td><td>有毒的。</td></tr><tr><td>碘克沙酸</td><td>Guerbet</td><td></td><td></td></tr><tr><td>胎牛血清</td><td>美国典型培养物保藏中心</td><td>30-2020</td><td></td></tr><tr><td>微型计算机断层扫描仪</td><td>Scanco</td><td></td><td></td></tr><tr><td>图像分析软件（Analyze）</td><td>梅奥诊所</td><td></td><td></td></tr><tr><td>拉伸试验机</td><td>Instron</td><td>5848</td><td></td></tr><tr><td>微米器</td><td>Multitoyo</td><td>293-340</td><td></td></tr><tr><td>游标卡尺</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-648-17</td><td></td></tr></tbody></table>

用于生物医学应用的超疏水聚合物材料的制备

Fabricating Superhydrophobic Polymeric Materials for Biomedical Applications

具有永久或亚稳态非润湿表面的超疏水材料在生物医学和工业应用中备受关注。本文描述了如何通过静电纺丝或静电喷雾技术制备一种超疏水生物材料：以可生物降解、生物相容的脂肪族聚酯（例如，聚己内酯和聚（乳酸-共-乙醇酸））为主要组分，掺杂由该聚酯与硬脂酸盐改性的聚甘油碳酸酯组成的疏水性共聚物。静电纺丝或静电喷雾工艺可在纤维或颗粒的表面及内部形成增强的表面粗糙度和孔隙结构。采用一种低表面能的共聚物掺杂剂，该掺杂剂可与聚酯均匀混合并能稳定地进行静电纺丝或静电喷雾，从而获得此类超疏水材料。文中讨论了纤维尺寸、共聚物掺杂剂的组成和/或浓度等关键参数及其对润湿性的影响。这种聚合物化学与过程工程的结合，为利用可放大的技术开发面向特定应用的材料提供了一种通用策略，且该方法有望推广至更广泛的聚合物体系，适用于多种应用场景。

通过一系列化学转化，功能性碳酸酯单体5-苄氧基-1,3-二氧六环-2-酮被合成为白色结晶固体（图1A）。1H NMR确认了其结构（图1B），质谱和元素分析则验证了其组成。该固体随后在140 °C下通过锡催化开环反应与D,L-丙交酯或ε-己内酯共聚。经沉淀法纯化后，通过1H NMR分析，对4.58–4.68 ppm处的苄基质子化学位移以及己内酯的特征亚甲基峰或丙交酯的次甲基峰（分别为2.3 ppm或5.2 ppm）进行积分，以确定聚合物的组成。通过Pd/C催化的氢解反应可选择性地去除苄基保护基团。通过观察1H NMR谱图中苄基峰的消失，确认保护基已完全脱除。随后将硬脂酸接枝到游离的羟基上，使最终的共聚物具有疏水性。这些共聚物在室温下为白色固体（图1C），可加工成薄膜、电纺纤维膜以及电喷涂层（图1D）。
共聚物组成（即，通过调节相应的单体投料比来调控丙...

通过静电纺丝或电喷雾技术，将可生物降解聚合物与具有相似组成的低表面能聚合物共混，制备出二维和三维超疏水聚合物材料。

具有永久或亚稳态非润湿表面的超疏水材料，在生物医学和工业领域具有广泛的研究价值……

以下实验的总体目标是利用生物医学聚合物的混合物制备可生物降解的纤维网状结构以及纳米或微米级颗粒涂层，并通过调节共聚物的配比来调控这些材料的润湿性能。该目标首先通过开环聚合反应合成可功能化的共聚物，随后在其上接枝烃基C18链来实现。第二步是将这些共聚物与聚己内酯或丙交酯共聚糖苷溶解于有机溶剂中，然后进行静电纺丝或电喷雾处理，从而分别形成三维微纤维网状结构或纳米/微米颗粒涂层。随后对 meshes 和 coatings 进行接触角测量研究，以了解纤维直径、共聚物组成及共混物组成如何影响表面润湿性，并形成超疏水生物材料。结果表明，通过前进和后退水接触角实验测定，随着电纺共混物中共聚物浓度的增加，疏水性得以增强。该技术的应用可延伸至化疗等场景，因为这些材料可作为局部药物递送储库，实现包埋药物的持续释放，且相关药物释放行为可通过聚合物组成和表面粗糙度进行调控。首先，按照随附文本方案中的说明开始合成实验所需的单体。然后将硅油浴预热至 140 摄氏度。称取两份，每份 2.1 克的五苄氧基-1,3-二氧戊环，并分别加入两个干燥的 100 毫升圆底烧瓶中。接下来，称取5.7克DL-丙交酯，仅加入其中一个烧瓶中。在两个烧瓶中均放入磁力搅拌子，并用橡胶塞密封烧瓶。随后，在一个小型梨形烧瓶中称取240毫克二丁基二月桂酸锡（tin(II) ethylhexanoate）。将装有单体的两个烧瓶置于侧臂歧管上通氮气吹扫五分钟，然后在氮气保护下，向仅含有5-苯并氧基-1,3-二氧杂环己烷-2-酮的烧瓶中加入4.24毫升ε-己内酯。随后，在氮气氛围下，对全部三个烧瓶施加约300毫托的高真空抽气15分钟，以除去任何微量水分。接着用氮气重新充入烧瓶内气氛，再次抽高真空。重复此操作循环，共进行三次。最后一次抽真空并通入氮气后，将单体烧瓶放入140摄氏度的油浴中。接着，在氮气保护下，向含有锡催化剂的梨形烧瓶中加入500微升干燥甲苯，同时将约100微升催化剂溶液加入到单体混合物中。待所有固体完全熔化后，将混合物在140摄氏度下保持不超过24小时。然后将熔融的聚合物冷却至室温。冷却后，将聚合物溶于50毫升二氯甲烷中，再将该溶液沉淀至200毫升冷甲醇中。倾去上清液，并在高真空下干燥残留的聚合物。将干燥的聚合物储存于-20摄氏度冰箱中，以备后续使用。后续使用时，将约六克聚合物溶解于120毫升四氢呋喃中，置于高压氢化反应釜内。然后加入两克钯碳催化剂。接下来，使用加氢装置向反应容器中加入氢气。在50 PSI压力下加氢反应四小时。反应完成后，使用硅藻土填充床过滤除去钯碳催化剂。然后在旋转减压条件下将聚合物浓缩至约 50 毫升。将剩余液体倒入冷甲醇中进行沉淀。接着倾去上清液，再将残留物在高真空下干燥，将干燥后的聚合物与 1.5 当量的硬脂酸一同溶解于 500 毫升无水氯仿中。然后加入两当量的DCC和三片四甲基氨基吡啶。在氮气氛围下室温搅拌混合物24小时。通过连续三次重复过滤和浓缩去除不溶性物质。最后，将溶液浓缩至50毫升。接着将浓缩的聚合物沉淀至175毫升冷甲醇中，并使用布氏漏斗过滤聚合物。然后在高真空条件下干燥聚合物过夜，用于电纺丝；或将聚合物在氯仿与甲醇按5:1比例混合的溶剂中（聚合物质量分数为10%至40%）或在四氢呋喃与NN-二甲基甲酰胺按7:3比例混合的溶剂中（用于PLGA）过夜溶解，用于电喷雾。在氯仿等溶剂中配制浓度范围为2%至10%的聚合物溶液。接着，将约4.5毫升该溶液装入配备18号针头的玻璃注射器中，并将注射器安装到注射泵上。然后将溶液的流速设定为每小时5毫升。用铝箔覆盖收集板，并用美纹纸胶带沿外边缘固定铝箔。将高压直流电源线连接到针尖，将接地线连接到收集滚筒。作为初次尝试。将针尖与收集器之间的距离设为15厘米，以覆盖较大区域。启动旋转和平移收集滚筒，转速设为45 RPM。然后启动注射泵，并打开高压电源。在5千伏电压下，如有必要，首先调节电压以获得理想的泰勒锥。一旦注射泵停止，先关闭高压电源，然后关闭注射泵和电机驱动的滚筒。让静电纺丝腔体继续通风至少30分钟。然后从滚筒上取下收集的聚合物，并在通风橱中过夜以使残留溶剂挥发。PGLA 薄膜可在室温下保存至少两周，而聚己内酯薄膜可在室温下保存长达两个月。将网状物或涂覆材料切成 0.5 厘米 × 3 厘米的条状，将细条置于接触角仪的载物台上。使用接触角测量仪，然后用24号针头滴加5 µL水滴，使其与材料表面接触；继续缓慢加入20至25 µL水，直至水滴图像被成功捕获。此过程对应前进接触角的测量。接下来，在缓慢回撤同一水滴的同时，持续采集其液滴轮廓图像。在多个离散的表面位置重复此过程10次，以报告平均值。扫描电镜成像显示，电纺纤维膜由相互缠结的微纤维构成，而电喷涂层则是由不同尺寸的颗粒聚集而成。电纺与电喷混合工艺的结果表明，共聚物多巴胺浓度影响材料的疏水性。此外，共聚物组成影响材料的疏水性，PG C 18 含量越高，接触角越大。如图所示，可通过显微计算机断层扫描技术非破坏性地实时追踪水下电纺纤维网的本体润湿过程。在上方一组图像中，纯聚己内酯纤维网在第一天内迅速被水渗透，发生本体润湿。相比之下，采用30%P-C-L-P-G-C处理的网格在超过75天的时间内仍有部分未被润湿，空气仍保留在整体结构内部。这些结果说明了超疏水整体材料在非润湿应用中的重要性。一旦掌握，该聚合物化学方法在周密规划下可在短短三到四天内完成。此外，一旦确定了合适的电纺丝或电喷雾参数，即可在1至3小时内完成纤维膜和颗粒涂层的制备，具体时间取决于这些材料所需的厚度。

fabricating-superhydrophobic-polymeric-materials-for-biomedical

Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

制造超疏水高分子材料生物医学应用

当两种相邻的流体通过带有沟槽的微流控通道时，可被引导形成包裹预聚物核心的鞘层，从而 决定微纤维的形状和横截面。光引发聚合反应（如硫醇点击化学反应）非常适合将核心流体快速固化为具有预定尺寸和形状的微纤维。...

预设计尺寸与形状的聚合物及生物杂化纤维的微流控制备

我们提出一种制备完全由同一种基础材料——聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）构成的Janus微凝胶的方案，其结构具有明显的区室化特征，基于过饱和NIPAAm单体溶液的相分离形成。所合成的Janus微凝胶表现出独特的性质，如各向异性的热响应性以及亲油/亲水性负载能力。...

合成具有各向异性热响应性及亲油/亲水负载能力的聚(N-异丙基丙烯酰胺) Janus 微凝胶

本文报道了制备自支撑薄膜和浸渍膜中水凝胶的实用方法，并对它们的物理性质（包括水传输性质）进行表征。...

具有防污性能的水净化膜用凝胶的合成

光滑表面为解决黏附问题提供了新方法。本方案描述了如何在高温条件下制备光滑表面。结果表明，这些光滑表面在高温下对液体具有抗润湿性，并对软组织表现出显著的抗黏附效果。...

不锈钢上滑润表面的制备及其高温防粘附行为

已开发出一种用于加工紫外光交联水凝胶的增材制造策略。该策略可实现微加工水凝胶结构的逐层组装，以及独立组件的集成组装，从而制备出包含可响应磁驱动运动部件的集成器件。...

一种用于简便快速制造含磁响应组分的水凝胶基微型机器的增材制造技术

本文介绍了一种用于制备具有不同杨氏模量或厚度的聚合物薄膜复合结构的制造工艺。所制备的薄膜可用于高级细胞培养研究或作为皮肤粘合剂。...

用于细胞培养和皮肤应用的薄膜复合硅胶弹性体：制造与表征

我们展示了多种制备超疏水金属表面的方法，并研究其耐久性和防冰性能。...

用于防冰应用的超疏水金属表面制备

本方案描述了使用MY133-V2000制备微流控装置的方法，以消除由于微通道结构与水溶液之间折射率不匹配而常在微通道中产生的伪影。本方案采用丙烯酸支架压缩封装后的装置，从而在化学和机械层面增强粘附性。...

用于生物医学微流控的折射率匹配器件的制备

本研究介绍了利用光刻和干法刻蚀技术在SiO2/Si晶圆上制备具有倒锥形和双重倒锥形轮廓的微腔和微柱结构的微加工工艺。所获得的微结构表面表现出显著的液体排斥性能，尽管二氧化硅本身具有亲水性，但仍能在润湿性液体下实现空气的稳定长期截留。...

通过刻蚀包含反向和双重反向凹腔或柱状结构的气体截留微结构使SiO2/Si表面具有超疏性

本方案介绍了一种通过在硅烷涂层的纳米多孔表面上进行连续的数字图案化和接枝反应，光诱导制备滑润三维结构的方法。该方法可实现滑润区域的空间可控形成，从而实现图案化的液体排斥性，并对界面滑润性进行定量分析，在流体操控和表面工程领域具有应用价值。...

基于硅烷涂层纳米多孔结构的光诱导图案化与接枝制备润滑表面

学习利用静电纺丝和电喷雾技术制造超疏水生物可降解高分子纤维网及微粒涂层，通过调节共聚物比例调控表面润湿性。该方法适用于药物控释等生物医学应用。

用于生物医学应用的超疏水聚合物材料的制备

探索更多视频