具有表面纳米阵列的生物模拟材料及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及生物模拟材料及其制备方法，尤其涉及一种具有表面纳米阵列的生物模拟材料及其制备方法。
背景技术
材料科学是当今高新技术发展的前沿，而生物材料是材料科学的一个重要分支。近年来，随着科学技术的不断进步和大量人力物力的投入，这方面的研究取得了前所未有的发展。
所谓生物材料，通常具有两层含义，从狭义上讲生物材料是指能移植到生物体内，并能发挥出与生物体原来的组织相同功能的材料，即生物组织替代材料。而广义的生物材料目前认为包括以下三类材料：(1)生物医学材料，即用于与生物系统接合，以便诊断、治疗机体的疾病或增进机体功能，以及修补或替换机体中的组织、器官等的材料。(2)生物模拟材料，即模拟生物体的机能设计制造而成地材料或工具设备，采用这类材料常常能彻底改变现有生产流程，实现高效率的分离、提纯和能量转换等。(3)仿生材料，通过对天然生物材料的结构、性能和生长机理的研究分析，而复制或制造出的性能接近或超过天然生物材料性能的材料。生物模拟材料是生物材料研究的一个方面。
纳米技术研究也是当今最重要的高新技术之一，同时也是目前材料科学研究的一个热点。著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在60年代就预言，如果对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，物体就能得到大量的异乎寻常的特性。他所说的材料就是现在的纳米材料。纳米材料从根本上改变了材料的结构，为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开辟了新途径。
纳米技术与生物模拟材料技术的结合为人类指出了一个新的研究方向，即研究具有表面纳米阵列的生物材料。
化学修饰固体表面可以产生表面阵列，这种阵列能够使许多分子与特定的功能单元识别。近来发展迅速的各种新的印刷术就可能是产生这种表面阵列的适合选择，例如紫外印刷术(C.S.Dulcey，J.H.Georger，Jr.V.Krauthamer，D.A.Stenger，T.L.Fare，and J.M.Calvert，Science 252，551(1991))，离子印刷术(E.T.Ada，L.Hanley，S.Etchin，J.Melngailis，W.J.Dressick，M.S.Chen and J.M.Calvert.J.Vac.Sci.Technol.B 13，2189(1995))，微接触印刷(Y.N.Xia andG.M.Whitesides，Angew.Chem.Int.Ed.Engl.37，551(1998))及扫描探针印刷术(F.K.Perkins，E.A.Dobisz，S.L.Brandow，J.M.calvert，J.E.Kosakowski and C.R.K.Marrian，Appl.Phys.Lett.68，550(1996))等。
当前，纳米科学的中心课题之一是发展简单、快速的方法，固定具有某种特异识别功能的单个分子或分子聚集体，将其应用到众多领域，诸如分子电子器件，传感器设计，电化学或组织工程等。这样，构造纳米尺寸的阵列就对上述几种印刷技术产生了更高的要求，同时也要求材料的性质能够被可控地修饰。
其中，紫外印刷术、离子印刷术、微接触印刷等主要是用来构造几个或几十个微米尺寸的阵列，很难构造出纳米尺寸的阵列。而扫描探针技术尽管能够精确地沉积和操作原子和分子，但是受限于速度太慢及很难与传统构造技术结合等原因，致使其应用范围太窄。
从印刷术的角度来看，电子束刻蚀是构造纳米尺寸阵列的一个合适的选择，这主要是因为它的波长(小于0.1纳米)比紫外-可见光刻蚀所用波长低好几个数量级，可以聚焦到非常小的点(小于1纳米)，这样电子束印刷术能够产生精确排列的阵列，并且很容易结合其它的技术应用，使得电子束印刷术成为一种非常有用的工具。
适合构造表面纳米阵列的材料是自组装单层。自组装单层是瞬间、高度有序的共价结合到金属表面的有机分子膜，典型的膜厚为1-2纳米，分子间距是1-0.5纳米。经过某种修饰的自组装单层能够键合到贵金属，半导体，氧化物等的表面。它们的吸附改变了材料的表面性质，诸如润湿、腐蚀、润滑及吸附等。
在生物应用方面，特别是生物模拟材料方面，自组装单层经常被用作将细胞和蛋白质耦合到表面的交联剂。目前，已经有许多技术被用来制作具有阵列结构的自组装单层，这其中将电子束印刷术与自组装单层相结合是最受关注的方法之一。德国海德堡大学M.Grunze等(Advanced Materials，12，805-808，2000；Advanced Materials，13，806-809，2001；J.Vac.Sci.Technol.B 19，2732-2735，2001)将电子束印刷术与一类新的硫醇自组装单层相结合，构造出了纳米尺寸的阵列，为电子束印刷术的进一步应用做出了贡献。
固体表面的生物有机修饰涉及生物传感器、微流动的细胞筛选体系、组织工程和纳米科学技术的基础研究和应用。而细胞膜与各种生物分子的相互作用是许多重要生物过程的基础，包括分子识别、细胞吸附、信号传递、酶的催化反应等。同时使用微阵列的生物功能化材料能够组织和控制细胞在表面上的吸附及生长。故而研究固体支撑类脂膜(双层或单层)对于生物材料的研究是非常重要的，它们使无机固体材料(如半导体，镀金底物及光电器件等)和高分子材料生物功能化，在不变性的条件下为固定蛋白质(如荷尔蒙受体及抗体)提供了天然的环境。同时也允许在导体上制备镶嵌受体的超薄、高电阻膜，用于以配体结合的光电检测为基础的生物传感器设计。固体支撑的类脂-蛋白质复合膜在许多方面有重要的应用包括生物分子分离，药物输送，生物传感器的设计，生物分子催化等。此外，固体支撑类脂膜也提供了调节细胞行为的生物功能化表面。
构造固体支撑类脂膜(包括磷脂膜)的常用方法有两种，即单层转移，也即Langmuir-Blodgett技术和囊泡铺展技术(E.Sackmann，Science 271(1996)43-48)。对于单层转移主要有两个限制：(1)热力学及动力学的不稳定性使其缺少长期稳定性。(2)转移方法要求支撑底物是平面的，这就对许多重要的应用(如酶的催化等)不能提供足够大的表面。而囊泡铺展的方法同样存在缺陷太多、稳定性不好及操作比较复杂等缺点。
至今还没有关于固体支撑类脂膜(磷脂膜)的具有表面纳米阵列生物模拟材料方面的披露。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题
本发明目的在于构造出了具有表面纳米阵列的生物模拟材料，即具有表面纳米阵列的固体支撑磷脂膜。
本发明的技术方案
本发明的一个方面，提供了一种具有表面纳米阵列的生物模拟材料，该材料包括：基底；与基底接合的一个自组装单层；以及与自组装单层接合的磷脂层。
进一步，上述生物模拟材料中磷脂层的磷脂选自下列物质组成的组：头部基团为羧基或羟基的磷脂，即双烷酰基磷脂酸或双烷酰基磷脂醇类，如双十二烷酰磷脂酸、双十四烷酰磷脂酸、双十六烷酰磷脂酸、双十八烷酰磷脂酸、双月桂酰磷脂酰甘油、双十四烷酰磷脂酰甘油、双十六烷酰磷脂酰甘油、双十八烷酰磷脂酰甘油；头部基团为氨基的磷脂，如双月桂酰磷脂酰乙醇胺、双十四烷酰磷脂酰乙醇胺、双十六烷酰磷脂酰乙醇胺、双十八烷酰磷脂酰乙醇胺。
本发明的另一方面，提供了一种具有表面纳米阵列的生物模拟材料的制备方法，包括以下步骤：
a.将一基底浸入含有硝基的硫醇溶液，在该基底上形成含有硝基的自组装单层；
b.用电子束通过一掩模照射该基底层的自组装单层，使该自组装单层中的硝基选择性地还原为氨基，形成具有纳米阵列的固体底物；以及
c.将磷脂与上述氨基结合，选择性地固定到该固体底物上。
上述方法中的基底可以用以下方法制备，包括如下步骤：a.将硅片在真空下沉积一层厚度为2-10纳米的钛或者镉；b.在该钛或者镉层上进一步沉积一层厚度为50-500纳米的金。
同时，本发明提供了一种分子水平的生物材料印刷方法，包括如下步骤：
a.将一基底浸入含有硝基的硫醇溶液，在所述基底上形成含有硝基的自组装单层；
b.用电子束通过一掩模照射所述基底层的自组装单层，使所述自组装单层中的硝基选择性地还原为氨基，形成具有纳米阵列的固体底物；以及
c.将磷脂与所述氨基结合，选择性地固定到所述固体底物上。
本发明的有益效果
本发明首次将电子束印刷技术与固体支撑类脂膜相结合，获得具有表面纳米阵列的固体支撑类脂膜。
本发明采用化学合成的方法，将磷脂与纳米阵列接合，同时提供了一种分子水平的生物材料印刷技术，具有开创性的意义。
将磷脂通过化学方法接合到固体底物上形成高度紧密的单层，可以提高膜的稳定性，减少膜的缺陷，这一点在生物膜模拟的应用中也具有很好的应用前景。
【附图说明】
图1是本发明方法中制备镀金硅片的示意图；
图2是本发明中自组装单层的制备示意图；
图3图示说明利用电子束印刷技术制备表面阵列；
图4a图示说明磷脂接合方法I。
图4b图示说明磷脂接合方法II。
图4c1、图4c2图示说明磷脂接合方法III。
图4d图示说明磷脂接合方法IV；
图5a是本发明的一个实施例的具有表面纳米阵列材料接磷脂前的原子力显微镜照片；
图5b是本发明的一个实施例的具有表面纳米阵列材料接磷脂后的原子力显微镜照片；
图6a是本发明的一个实施例的具有表面纳米阵列材料接磷脂前的X射线光电子能谱图；以及
图6b是本发明的一个实施例的具有表面纳米阵列材料接磷脂后的X射线光电子能谱图。
【具体实施方式】
在下文结合附图与具体实施例对本发明进行详细描述，以便于本领域技术人员理解和实施本发明，并进一步认识本发明的优点。
基底的制备
对于本发明的表面生物模拟材料，基底可以使用无机固体材料，如半导体硅、锗，镀金底物及光电器件等或者高分子材料，需要基底适合与自组装层接合，其可以具有平面或者曲面的表面。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，采用硅片上沉积金属层，如金、铂、钛、镉等，以便于与自组装层的连接。本发明另一实施例的一种基底上，包括一层厚度为3～10纳米的钛或者镉，和一层厚度为20-500纳米的金。
在本发明的实施例中，该金属有两层，包括镀钛层和镀金层。其中这两层金属可以是一种金属的一层，也可以是两种金属的两层或更多。作为选择，也可以在基底上沉积稳定的高分子材料如含硅的聚合材料(聚硅氧烷等)。
自组装层及其制备
如图2所示，使用N-乙酰半胱氨酸、硫醇等，优选使用含有硝基的硫醇如4’-硝基-1，1’-联苯-4’-硫醇或类似物处理基底，获得自组装层。
在本发明的实施例中，该含有硝基的硫醇溶液为0.01～10毫摩尔每升的4’-硝基-1，1’-联苯-4’-硫醇的乙醇溶液。并且该化学反应为利用二环己基碳二亚胺(DCC)或羰基二咪唑(CDI)，使头部基团为羧基或羟基的磷脂与该氨基发生缩合发应；或者该化学反应为利用二酸酐将氨基转化为羧基，然后使用三氟乙酸酐和三乙胺将表面羧基转化为酸酐或者直接使用上述的脱水剂，与头部基团为氨基的磷脂溶液反应；或者使用戊二醛将头部基团为氨基的磷脂与表面氨基交联。其中上述二酸酐为丁二酸酐。
表面纳米阵列
如图3所示，使用低能电子束经由一个掩模，使电子束选择性处理含有硝基的自组装单层，使得其中的硝基选择性地被还原为氨基，构造出了具有表面纳米阵列的固体底物。掩模的规格是多样的，其不同图形的选用，决定了表面纳米阵列的排布特点，从而实现特定的印刷目的、或构建不同的功能材料。
生物材料的选择性固定
本发明采用化学合成的方法，将各种磷脂经由不同的途径固定到这种具有纳米阵列的自组装单层上，构造新颖的、具有表面纳米阵列的生物模拟材料。通过此化学合成的方法，避免了物理吸附方法稳定性、可控性差的缺点，使其具有更好的实际应用前景。
该化学反应是本领域技术人员所熟知的反应，例如取代反应、缩合反应等，可以是一步反应也可以是多步反应，其目的在于通过该反应，使基底上连接的自组装层与磷脂连接在一起，使基底生物功能化或者说具有生物兼容性，从而制作出具有表面纳米阵列的生物模拟材料。
本发明中所用的磷脂可以是头部基团为羧基或羟基的磷脂，如双烷酰基磷脂酸、或双烷酰基磷脂醇类，包括DLPA(d双十二烷酰磷脂酸)、DMPA(双十四烷酰磷脂酸)、DPPA(双十六烷酰磷脂酸)、DSPA(双十八烷酰磷脂酸)、DLPG(双月桂酰磷脂酰甘油)、DMPG(双十四烷酰磷脂酰甘油)、DPPG(双十六烷酰磷脂酰甘油)、DSPG(双十八烷酰磷脂酰甘油)等；也可以是头部基团为氨基的磷脂，包括DLPE(双月桂酰磷脂酰乙醇胺)，DMPE(双十四烷酰磷脂酰乙醇胺)，DPPE(双十六烷酰磷脂酰乙醇胺)，DSPE(双十八烷酰磷脂酰乙醇胺)等。
具体的合成方法有多种选择，举例介绍如下。
磷脂接合方法I
如图4a所示，头部基团为羧基的磷脂，使用DCC偶联。对于头部基团为羧基或羟基的磷脂，即双烷酰基磷脂酸或双烷酰基磷脂醇类，如DLPA(双十二烷酰磷脂酸)，DMPA(双十四烷酰磷脂酸)，DPPA(双十六烷酰磷脂酸)，DSPA(双十八烷酰磷脂酸)、DLPG(双月桂酰磷脂酰甘油)、DMPG(双十四烷酰磷脂酰甘油)、DPPG(双十六烷酰磷脂酰甘油)、DSPG(双十八烷酰磷脂酰甘油)等，直接利用脱水剂如DCC(二环己基碳二亚胺)或CDI(羰基二咪唑)等，将磷脂固定到纳米阵列表面上。
磷脂接合方法II
如图4b所示，对头部基团为氨基的磷脂，使用二酸酐及三氟乙酸酐反应。
头部基团为氨基的磷脂，包括DLPE(双月桂酰磷脂酰乙醇胺)，DMPE(双十四烷酰磷脂酰乙醇胺)，DPPE(双十六烷酰磷脂酰乙醇胺)，DSPE(双十八烷酰磷脂酰乙醇胺)等。
首先将二酸酐(如丁二酸酐)及无水三乙胺溶于氯仿或二甲基甲酰胺中配为10-8～10-2摩尔每升的溶液，将具有表面纳米阵列的固体支撑膜浸入其中，室温下反应1～5小时，然后将固体支撑膜转入pH＝4.0～6.0的0.01～1摩尔每升磷酸盐缓冲液中，剧烈振荡多次，然后依次用水及氯仿等漂洗，氮气吹干。接下来将固体支撑膜浸入10-8～10-2摩尔每升三氟乙酸酐和无水三乙胺的氯仿或二甲基甲酰胺混合溶液中，室温下反应1～5小时，反应完毕用氯仿漂洗后立即转入10-8～10-2摩尔每升磷脂的氯仿或二甲基甲酰胺溶液中，在室温下反应2～8小时。反应完成后，取出，用氯仿等有机溶剂漂洗几次，并超声处理几分钟，保证没有物理吸附的物质残留，氮气吹干。
磷脂接合方法III
如图4c所示，头部基团为氨基的磷脂，使用二酸及脱水剂反应。图4c1图示说明第一步的磷酯衍生物的制备；图4c2图示说明第二步，该磷酯衍生物与基底氨基反应。
对于头部基团为氨基的磷脂，如DLPE，DMPE，DPPE，DSPE等，先将二酸(如丁二酸，戊二酸等)与脱水剂(如DCC，CDI等)以物质的重量比为1∶2溶解在氯仿或二甲基甲酰胺中，在室温下静置反应1～5小时。将上述制得的具有表面纳米阵列的固体支撑膜浸入上述溶液中，在室温下反应2～10小时。然后取出，用氯仿、二甲基甲酰胺等有机溶剂漂洗几次，超声处理，以清除物理吸附的残留物质，氮气吹干。
磷脂接合方法IV
如图4d所示，对头部为氨基的磷脂，使用戊二醛与底物交联。
对于头部基团为氨基的磷脂，如DLPE，DMPE，DPPE，DSPE等。将上面制得的具有表面纳米阵列的固体支撑膜浸入1～10％戊二醛异丙醇溶液中，在室温下反应1～8小时。取出，异丙醇漂洗，立即浸入10-8～10-2摩尔每升磷脂的氯仿或二甲基甲酰胺溶液中，室温下反应1～5小时。取出，在氯仿中漂洗几次，超声，氮气吹干。
或者，使用戊二醛将磷脂与表面氨基交联，将磷脂固定在基底的表面。
实施例1 表面纳米阵列材料的制备
在高真空条件下，在清洁的硅片(高纯单晶硅)上首先沉积5纳米厚的钛、50纳米厚的金。在105℃，将镀金硅片浸在浓H2SO4与H2O2的混合溶液中清洗，氮气吹干。然后将其浸入1.5毫摩尔每升的NBT乙醇溶液中，反应完毕后，依次用乙醇、氯仿等有机溶剂漂洗，氮气吹干。使Leica LION LV 1电子束发生系统产生的低能电子束(300eV)通过“掩模”(40×40μm方格子阵列的铜网，方格子内含直径为2.3μm的圆孔)，将硝基选择性的还原为氨基，获得有机修饰的表面纳米阵列材料，即具有表面纳米阵列的固体支撑膜。
实施例2 表面纳米阵列材料的制备
在高真空条件下，在清洁的硅片上首先沉积8纳米厚的钛、100纳米厚的金。在105℃，将镀金硅片浸在浓H2SO4与H2O2的混合溶液中清洗，氮气吹干。然后将其浸入0.01～10毫摩尔每升的NBT乙醇溶液中，反应完毕后，依次用乙醇、氯仿等有机溶剂漂洗，氮气吹干。使Leica LION LV 1电子束发生系统产生的低能电子束(300eV)通过“掩模”(40×40μm方格子阵列的铜网，方格子内含直径为2.3μm的圆孔)，将硝基选择性的还原为氨基(J.Vac.Sci.Technol.B 19，2732-2735，2001)，获得有机修饰的表面纳米阵列材料，即具有表面纳米阵列的固体支撑膜。
实施例3 对于头部基团为羧基的磷脂，采用方法I处理
将上述实施例1制得的具有表面纳米阵列的固体支撑膜，浸入10-4摩尔每升的DLPA(双十二烷酰磷脂酸)及DCC(二环己基碳二亚胺)，并保持脱水剂过量，混合溶液中反应5小时。取出，用氯仿漂洗3次，并用超声波处理2分钟，保证没有物理吸附的物质残留，氮气吹干。反应后经由X射线光电子能谱(XPS)检测，发现键合能在134.8eV处有P(2p)峰出现，证明磷脂已经键合到了表面上(参见图6a、6b)。从原子力显微镜(AFM)图像上，我们也可以发现反应的区域已经与周围有大约3纳米的高度差，近似磷脂单分子层的厚度，这进一步表明磷脂已经被移植到了膜表面(参见图5a、5b)。
实施例4 对于头部基团为羟基的磷脂，采用方法I处理
将上述实施例1制得的具有表面纳米阵列的固体支撑膜浸入10-4摩尔每升的DLPG(双月桂酰磷脂酰甘油)及DCC，并保持脱水剂过量，在混合溶液中反应6小时。取出，用氯仿漂洗3次，并用超声波处理2分钟，保证没有物理吸附的物质残留，氮气吹干。反应后经由X射线光电子能谱(XPS)检测，发现键合能在134.8eV处有p(2p)峰出现，证明磷脂已经键合到了表面上(图略)。从原子力显微镜(AFM)图像上，也可以发现反应的区域已经与周围有大约3纳米的高度差，近似磷脂单分子层的厚度，这进一步表明磷脂已经被移植到了膜表面(图略)。
实施例5 头部基团为氨基的磷脂，方法II
首先将丁二酸酐及无水三乙胺溶于氯仿中配为10-6摩尔每升的溶液，将实施例1或2制得的具有表面纳米阵列的固体支撑膜浸入其中，室温下反应3小时，然后将实施例1或2的固体支撑膜转入pH＝4的0.5摩尔每升磷酸盐缓冲液中，剧烈的震荡多次。之后，依次用水及氯仿漂洗，氮气吹干。
接下来将固体支撑膜浸入10-5摩尔每升三氟乙酸酐和无水三乙胺的氯仿或二甲基甲酰胺混合溶液中，室温下反应2小时，反应完毕用氯仿漂洗后立即转入10-5摩尔每升的DLPE(双月桂酰磷脂酰乙醇胺)的氯仿溶液中，在室温下反应6小时。反应完成后，取出，用氯仿等有机溶剂漂洗几次，并用超声波处理4分钟，保证没有物理吸附的物质残留，氮气吹干。
在此过程中，使用FT-IR光谱监测酸酐与表面氨基的反应，发现反应后在～1700cm-1左右出现羰基吸收峰，表明酰基已经键合到了表面上。而与磷脂反应后，X射线光电子能谱结果发现键合能在134.8eV处有P(2p)峰出现，证明磷脂已经建合到了固体表面上(图略)。从原子力显微镜(AFM)图像上，我们也可以发现反应的区域已经与周围有大约3纳米的高度差，近似磷脂单分子层的厚度，这进一步表明磷脂已经被移植到了膜表面(图略)。
实施例6 头部基团为氨基的磷脂，方法III
先将丁二酸与CDI(脱水剂)以物质的量比为1∶2溶解在氯仿中，在室温下静置反应4小时。将上面制得的具有表面纳米阵列的固体支撑膜浸入上述溶液中，在室温下反应4小时。然后取出，用氯仿漂洗3次，超声处理，以清除物理吸附的残留物质，氮气吹干。反应后经由XPS检测，发现键合能在134.8eV处有P(2p)峰出现，证明磷脂已经键合到了表面上。从AFM图像上，我们也可以发现反应的区域已经与周围有大约3纳米的高度差，近似磷脂单分子层的厚度，这进一步表明磷脂已经被移植到了膜表面。
实施例7 头部基团为氨基的磷脂，方法IV
将实施例1或2制备的具有表面纳米阵列的固体支撑膜浸入8戊二醛的异丙醇溶液中，在室温下反应5小时。取出，异丙醇漂洗，立即浸入10-5摩尔每升磷脂的氯仿溶液中，室温下反应5小时。取出，在氯仿中漂洗几次，超声处理，氮气吹干。反应后经由XPS检测，发现键合能在138.6eV处有P(2p)峰出现，证明磷脂已经键合到了表面上。从AFM图像上，我们也可以发现反应的区域已经与周围有大约3纳米的高度差，近似磷脂单分子层的厚度，这进一步表明磷脂已经被移植到了膜表面。
尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但是，对于本领域的技术人员来说，在不偏离本发明的精神和构思的情况下，本发明可以有各种更改、变化和等同替换。本发明的各种更改，变化，和等同替换由所附的权利要求书的内容涵盖。