常夢潔， 劉 俊， 王 花， 李會錄

(西安科技大學 材料科學與工程學院， 陜西 西安 710054)

應用反應離子刻蝕技術(shù)的靜電紡納米纖維陣列制備

常夢潔， 劉 俊， 王 花， 李會錄

(西安科技大學 材料科學與工程學院， 陜西 西安 710054)

為開發(fā)一種簡便、高效制備功能納米纖維陣列的方法，結(jié)合靜電紡絲和反應離子刻蝕技術(shù)制備了有序納米纖維陣列。研究了纖維膜厚度、掩膜尺寸對形成纖維陣列微結(jié)構(gòu)的影響，初步考察了纖維陣列作為細胞培養(yǎng)基底的生物相容性。研究結(jié)果表明：以銅網(wǎng)為掩膜，用氧等離子體刻蝕聚苯乙烯納米纖維膜，制備了有序的納米纖維陣列；纖維陣列的結(jié)構(gòu)和尺寸可調(diào)，當刻蝕經(jīng)30 min和120 min靜電紡絲制備的纖維膜時，分別形成了二維有序網(wǎng)格陣列和三維鳥巢結(jié)構(gòu)；在形成的三維纖維結(jié)構(gòu)上培養(yǎng)成纖維細胞(NIH3T3)發(fā)現(xiàn)，細胞在三維纖維基底上容易貼壁、生長，纖維陣列具有高的生物相容性。

靜電紡絲； 納米纖維； 反應離子刻蝕； 纖維陣列

采用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維具有操作簡單、材料豐富、纖維比表面積大等優(yōu)點。納米纖維的直徑、表面積、硬度、取向、成分和結(jié)構(gòu)可通過改變?nèi)芤盒再|(zhì)或者靜電紡絲參數(shù)調(diào)節(jié)，已廣泛應用于生物[1-2]、能源[3]、環(huán)境[4-5]等領(lǐng)域，尤其是生物醫(yī)學研究領(lǐng)域的細胞培養(yǎng)基底和藥物載體材料。

在靜電紡納米纖維的各種結(jié)構(gòu)中，有序的納米纖維陣列常作為細胞培養(yǎng)基底，研究細胞的生長、遷移、分化等生物學行為以及細胞與基底的相互作用[6-7]。利用靜電場分布，將納米纖維直接沉積到預先設(shè)計的陣列負電極上是目前形成納米纖維陣列較為常用的方法，如在不同的導電陣列基底上形成三維納米纖維陣列[8-9]，研究者們用此方法成功制備了多種高分子材料的纖維陣列。此外，對納米纖維膜進一步加工也可形成纖維陣列，如利用光刻等技術(shù)可將光敏性的高分子纖維膜加工成圖案[10-11]，光刻法在精確控制納米纖維陣列的尺寸和分布方面具有獨特的優(yōu)勢，然而光刻過程中的顯影液會溶解部分高分子而使其應用受到一定限制，因此，發(fā)展一種制備納米纖維陣列的新方法對于納米纖維陣列的形成和生物醫(yī)學的研究應用具有重要的意義。

聚苯乙烯是一種廣泛應用于靜電紡絲中的高分子，所制備的聚苯乙烯納米纖維可用作基底進行癌細胞的治療研究[12]。反應離子刻蝕技術(shù)可快速、高效刻蝕有機高分子而被用來輔助形成多種納米纖維結(jié)構(gòu)[11]。本文以銅網(wǎng)為掩膜，采用反應離子刻蝕靜電紡納米纖維膜，制備了有序聚苯乙烯納米纖維陣列，重點研究了掩膜尺寸、形狀以及纖維膜厚度對形成納米纖維陣列結(jié)構(gòu)的影響。通過在三維納米纖維基底上培養(yǎng)成纖維細胞(NIH3T3)，考察了纖維陣列的生物相容性。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與設(shè)備

聚苯乙烯(PS,260 000)、N, N-二甲基甲酰胺(DMF)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。高壓電源，天津東文高壓電源廠；注射泵，河北保定蘭格公司。

1.2 納米纖維膜的制備

圖1示出實驗裝置示意圖及聚苯乙烯纖維掃描電子顯微鏡照片。納米纖維膜是利用靜電紡絲技術(shù)制備的，見圖1(a)，將PS溶于DMF中形成質(zhì)量分數(shù)為12.5%的靜電紡絲前驅(qū)體溶液。在前驅(qū)體溶液中溶入質(zhì)量濃度為1 mg/mL的十二烷基磺酸鈉。將高分子溶液加入到帶有不銹鋼針頭的注射器中并固定在注射泵上，針頭連接高壓電源的正極，錫箔紙收集板連接電源的負極。正負極間的距離約為10 cm，電壓為9 kV，注射泵推速為200 μL/min，噴出的納米纖維經(jīng)過空氣中溶劑揮發(fā)，最后沉積到收集板上。利用日立S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)對樣品的形貌尺寸進行表征。

圖1 實驗裝置示意圖及聚苯乙烯纖維掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 Scheme of experimental process and SEM image of nanofibers. (a) Electrospinning process; (b) Nanofiber patterning by reactive ion etching; (c) SEM image of typical polystyrene nanofibers

1.3 納米纖維陣列的制備

納米纖維陣列是在掩膜下用氧等離子體刻蝕纖維制備的，見圖1(b)。將銅網(wǎng)作為掩膜緊緊壓在纖維膜上方，然后放入Nextral N100型反應離子刻蝕儀的腔室，用流速為10 cm3/min、氣壓為4 Pa的氧氣進行刻蝕，刻蝕功率為50 mW，刻蝕時間依纖維膜的厚度而改變。

1.4 細胞培養(yǎng)

在纖維結(jié)構(gòu)上培養(yǎng)了NIH3T3，細胞培養(yǎng)液為DMEM(含1% L-谷氨酸鹽、1% 青霉素/鏈霉素、0.01%兩性霉素、10%小牛血清)，種植細胞后的樣品置于37 ℃細胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3 d。最后細胞用4%的甲醛溶液和不同濃度的酒精進行固定、脫水，并蒸鍍厚度為10 nm 的金進行SEM測試。

2 結(jié)果分析

2.1 不同結(jié)構(gòu)聚苯乙烯納米纖維陣列分析

在聚苯乙烯前驅(qū)體溶液中加入一定量的十二烷基苯磺酸鈉，以增加靜電斥力，降低溶液表面張力，防止纖維表面出現(xiàn)小球。圖1(c)示出所制備聚苯乙烯納米纖維的掃描電鏡照片，可看出，納米纖維的表面光滑，纖維直徑均勻，平均直徑約為375 nm。

本文實驗中納米纖維陣列是以銅網(wǎng)為掩膜，用反應離子刻蝕儀去除暴露在氧等離子體中聚苯乙烯纖維，而被銅網(wǎng)覆蓋的纖維則留在基底上形成纖維陣列。圖2示出在玻璃基底上靜電紡絲30 min收集到的聚苯乙烯纖維膜，經(jīng)10 min刻蝕后形成的納米纖維陣列。圖2(a)、(b)、(c)為采用網(wǎng)孔內(nèi)邊長分別為490、150、50 μm的銅網(wǎng)掩膜刻蝕得到的納米纖維陣列?？煽吹剑?種尺寸的掩膜下，均形成了規(guī)則有序的纖維陣列，暴露在氣體中的纖維與氧等離子體反應被去除。形成的纖維陣列尺寸與銅網(wǎng)掩膜尺寸完全一致。圖2(d)中的結(jié)構(gòu)說明條紋狀纖維的寬度可小到約15 μm，且能根據(jù)掩膜的結(jié)構(gòu)形成不同形狀的纖維陣列；同時圖中的纖維具有與刻蝕前纖維幾乎同樣的表面形貌和直徑，說明掩膜能有效保護纖維不受刻蝕氣體破壞，這歸因于刻蝕過程中銅網(wǎng)掩膜與薄的纖維膜能緊密結(jié)合。由圖2分析得出，用等離子體刻蝕可制備不同尺寸和形狀的靜電紡纖維陣列。由于大部分有機高分子納米纖維都可與氧等離子體反應而被去除，因此，本文方法適用于制備不同高分子材料的靜電紡納米纖維陣列。

圖2 紡絲30 min聚苯乙烯納米纖維膜刻蝕后形成的纖維陣列的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM images of fiber arrays by etching PS nanofiber memebrane through 30 min electrospinning duration. (a) Hole size of 490 μm; (b) Hole size of 150 μm; (c) Hole size of 50 μm; (d) Magnified image of (c)

圖3示出以網(wǎng)孔邊長為150 μm的銅網(wǎng)為掩膜，120 min靜電紡絲收集到的納米纖維膜為基底，經(jīng)30 min氧等離子刻蝕后形成的纖維結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。

圖3 紡絲120 min聚苯乙烯納米纖維膜經(jīng)刻蝕后制備的纖維陣列掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM images of patterned structures of PS nanofibers by etching fiber films through 120 min electrospinning duration. (a) Hole size of 150 μm; (b) Magnified image of fibers at bottom of holes in (a)

由圖3(a)可看出，在纖維膜上形成了較為規(guī)則的孔洞結(jié)構(gòu)陣列，洞的上沿內(nèi)徑約為250 μm，遠遠大于銅網(wǎng)掩膜網(wǎng)孔邊長。與圖2中結(jié)果相比，孔洞壁的纖維結(jié)構(gòu)不是規(guī)則的線條狀，寬度不均勻，且小于掩膜上銅線的寬度。這是由于納米纖維膜較厚時，纖維間有較多的孔隙，氧等離子體可與被銅網(wǎng)垂直下方的纖維接觸反應而產(chǎn)生一定程度的刻蝕。從圖3(a)還可看出孔洞結(jié)構(gòu)呈碗狀，由上表面到底部，孔洞內(nèi)徑逐漸減小，并且有部分絮狀纖維殘留，可能是由于刻蝕反應過程中，等離子體反應產(chǎn)生的熱量使部分反應的纖維片斷融合到一起形成體積較大的纖維，沒有被及時抽走而造成的。圖3(b)為圖3(a)中孔洞底部放大的掃描電鏡照片，可看到仍然有纖維存在，說明經(jīng)過30 min刻蝕后等離子刻蝕仍然沒有完全將暴露在氣體中的纖維刻蝕完畢。圖3(b)中的纖維直徑較為均勻，平均直徑為 290 μm，與未經(jīng)刻蝕的纖維相比，直徑減小，這是受到一定的等離子體刻蝕的結(jié)果。由圖3還可看出，當納米纖維膜的厚度較厚時，容易形成鳥巢狀的三維纖維結(jié)構(gòu)。與已報道的纖維陣列制備方法比較，本文實驗所采用的反應離子刻蝕法，由于無需使用溶劑，且大部分高分子都可與氧等離子體反應而被去除，因此，是一種適用于簡便制備不同高分子納米纖維陣列結(jié)構(gòu)的通用方法，不會受到高分子材料性質(zhì)的限制。

2.2 三維PS纖維結(jié)構(gòu)的生物相容性分析

將制備的孔洞三維纖維結(jié)構(gòu)作為細胞培養(yǎng)基底考察其生物相容性。在三維結(jié)構(gòu)納米纖維陣列表面種植密度約為1 000個/cm2的NIH3T3細胞，經(jīng)3 d生長后，長有細胞的樣品經(jīng)固定、脫水處理，細胞在纖維結(jié)構(gòu)上的生長情況如圖4所示。

圖4 細胞在不同纖維基底上生長的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM images of cell growth on different fiber substrate. (a) On three dimensional fiber substrate; (b) On two dimensional fiber film

從圖4(a)可看到，NIH3T3細胞在基底表面能很好的貼壁、生長。同時與孔洞底部較為平整的結(jié)構(gòu)相比，細胞在孔洞內(nèi)壁上能更好地黏附與生長，這可能是由于孔的內(nèi)側(cè)在刻蝕過程中形成了更加粗糙的纖維結(jié)構(gòu)所致。作為對比實驗，在平整的聚苯乙烯纖維膜表面進行NIH3T3細胞培養(yǎng)，結(jié)果如圖4(b)所示，細胞只能在二維平面鋪展生長，而無法在三維結(jié)構(gòu)上進行生長。這是由于圖4(b)中，纖維膜上的纖維間孔尺寸較小，細胞無法進入，實現(xiàn)三維生長。由圖4還可看出，經(jīng)等離子刻蝕形成的三維纖維孔洞陣列結(jié)構(gòu)作為細胞生長基底時，有著良好的生物相容性，是一種理想的生物基底材料。

3 結(jié) 論

本文研究了一種利用靜電紡絲和反應離子刻蝕技術(shù)制備納米纖維陣列的新方法。纖維陣列的結(jié)構(gòu)和尺寸可根據(jù)掩膜進行調(diào)節(jié)；同時，通過改變納米纖維膜的厚度和反應離子刻蝕時間，可分別制備有序的二維纖維陣列或者三維的孔洞結(jié)構(gòu)。因避免了溶劑的使用和復雜的工藝過程，且大部分的高分子材料均可與氧等離子體反應，因此，本文方法是一種簡便、通用的制備靜電紡絲納米纖維陣列的方法。所制備的聚苯乙烯納米纖維結(jié)構(gòu)具有良好的生物兼容性，有望作為功能基底材料用于細胞培養(yǎng)等領(lǐng)域。

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Preparation of electrospun nanofiber arrays by reactive ion etching

CHANG Mengjie, LIU Jun, WANG Hua, LI Huilu

(College of Materials Science and Engineering, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an, Shaanxi 710054, China)

In order to develop a simple and efficient method for preparing functional nanofiber array, electrospinning and reactive ion etching were combined to prepare regular electrospun nanofiber arrays. The influence of fiber film thickness and mask size on the formed fiber microstructures, as well as the biocompatibility of the fiber arrays as the cell culture substrate were investigated. The results show that highly ordered nanofiber arrays are produced by O2reactive ion etching electrospun nanofiber films with copper grid as the mask. The size and structure of the fiber arrays can be controlled. Two dimensional uniform net-like arrays and three dimensional bird-nest-like fiber arrays formed, respectively, while the fiber films prepared by electrospinning for 30 min and 120 min are etched. NIH3T3 cell culture experiments suggest that cells have good adhesion and growth on the three dimensional fiber substrate, which indicates the produced fiber array has high biocompatibility.

electrospinning; nanofiber; reactive ion etching; fiber array

10.13475/j.fzxb.20160406505

2016-04-25

2017-01-09

國家自然科學基金項目(21403165, 21501140)；陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃項目(2015JQ2047, 2016JQ2002)；陜西省教育廳專項科研計劃項目(15JK1453)

常夢潔(1987—)，女，講師，博士。主要研究方向為有機無機復合納米材料。劉俊，通信作者，E-mail：jun_liu@xust.edu.cn。

TQ 342

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