应用反应离子刻蚀技术的静电纺纳米纤维阵列制备

常梦洁， 刘 俊， 王 花， 李会录

(西安科技大学 材料科学与工程学院， 陕西 西安 710054)

应用反应离子刻蚀技术的静电纺纳米纤维阵列制备

常梦洁， 刘 俊， 王 花， 李会录

(西安科技大学 材料科学与工程学院， 陕西 西安 710054)

为开发一种简便、高效制备功能纳米纤维阵列的方法，结合静电纺丝和反应离子刻蚀技术制备了有序纳米纤维阵列。研究了纤维膜厚度、掩膜尺寸对形成纤维阵列微结构的影响，初步考察了纤维阵列作为细胞培养基底的生物相容性。研究结果表明：以铜网为掩膜，用氧等离子体刻蚀聚苯乙烯纳米纤维膜，制备了有序的纳米纤维阵列；纤维阵列的结构和尺寸可调，当刻蚀经30 min和120 min静电纺丝制备的纤维膜时，分别形成了二维有序网格阵列和三维鸟巢结构；在形成的三维纤维结构上培养成纤维细胞(NIH3T3)发现，细胞在三维纤维基底上容易贴壁、生长，纤维阵列具有高的生物相容性。

静电纺丝； 纳米纤维； 反应离子刻蚀； 纤维阵列

采用静电纺丝技术制备纳米纤维具有操作简单、材料丰富、纤维比表面积大等优点。纳米纤维的直径、表面积、硬度、取向、成分和结构可通过改变溶液性质或者静电纺丝参数调节，已广泛应用于生物[1-2]、能源[3]、环境[4-5]等领域，尤其是生物医学研究领域的细胞培养基底和药物载体材料。

在静电纺纳米纤维的各种结构中，有序的纳米纤维阵列常作为细胞培养基底，研究细胞的生长、迁移、分化等生物学行为以及细胞与基底的相互作用[6-7]。利用静电场分布，将纳米纤维直接沉积到预先设计的阵列负电极上是目前形成纳米纤维阵列较为常用的方法，如在不同的导电阵列基底上形成三维纳米纤维阵列[8-9]，研究者们用此方法成功制备了多种高分子材料的纤维阵列。此外，对纳米纤维膜进一步加工也可形成纤维阵列，如利用光刻等技术可将光敏性的高分子纤维膜加工成图案[10-11]，光刻法在精确控制纳米纤维阵列的尺寸和分布方面具有独特的优势，然而光刻过程中的显影液会溶解部分高分子而使其应用受到一定限制，因此，发展一种制备纳米纤维阵列的新方法对于纳米纤维阵列的形成和生物医学的研究应用具有重要的意义。

聚苯乙烯是一种广泛应用于静电纺丝中的高分子，所制备的聚苯乙烯纳米纤维可用作基底进行癌细胞的治疗研究[12]。反应离子刻蚀技术可快速、高效刻蚀有机高分子而被用来辅助形成多种纳米纤维结构[11]。本文以铜网为掩膜，采用反应离子刻蚀静电纺纳米纤维膜，制备了有序聚苯乙烯纳米纤维阵列，重点研究了掩膜尺寸、形状以及纤维膜厚度对形成纳米纤维阵列结构的影响。通过在三维纳米纤维基底上培养成纤维细胞(NIH3T3)，考察了纤维阵列的生物相容性。

1 实验部分

1.1 实验材料与设备

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。高压电源，天津东文高压电源厂；注射泵，河北保定兰格公司。

1.2 纳米纤维膜的制备

图1示出实验装置示意图及聚苯乙烯纤维扫描电子显微镜照片。纳米纤维膜是利用静电纺丝技术制备的，见图1(a)，将PS溶于DMF中形成质量分数为12.5%的静电纺丝前驱体溶液。在前驱体溶液中溶入质量浓度为1 mg/mL的十二烷基磺酸钠。将高分子溶液加入到带有不锈钢针头的注射器中并固定在注射泵上，针头连接高压电源的正极，锡箔纸收集板连接电源的负极。正负极间的距离约为10 cm，电压为9 kV，注射泵推速为200 μL/min，喷出的纳米纤维经过空气中溶剂挥发，最后沉积到收集板上。利用日立S-4800型扫描电子显微镜(SEM)对样品的形貌尺寸进行表征。

图1 实验装置示意图及聚苯乙烯纤维扫描电镜照片Fig.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 纳米纤维阵列的制备

纳米纤维阵列是在掩膜下用氧等离子体刻蚀纤维制备的，见图1(b)。将铜网作为掩膜紧紧压在纤维膜上方，然后放入Nextral N100型反应离子刻蚀仪的腔室，用流速为10 cm3/min、气压为4 Pa的氧气进行刻蚀，刻蚀功率为50 mW，刻蚀时间依纤维膜的厚度而改变。

1.4 细胞培养

在纤维结构上培养了NIH3T3，细胞培养液为DMEM(含1% L-谷氨酸盐、1% 青霉素/链霉素、0.01%两性霉素、10%小牛血清)，种植细胞后的样品置于37 ℃细胞培养箱中培养3 d。最后细胞用4%的甲醛溶液和不同浓度的酒精进行固定、脱水，并蒸镀厚度为10 nm 的金进行SEM测试。

2 结果分析

2.1 不同结构聚苯乙烯纳米纤维阵列分析

在聚苯乙烯前驱体溶液中加入一定量的十二烷基苯磺酸钠，以增加静电斥力，降低溶液表面张力，防止纤维表面出现小球。图1(c)示出所制备聚苯乙烯纳米纤维的扫描电镜照片，可看出，纳米纤维的表面光滑，纤维直径均匀，平均直径约为375 nm。

本文实验中纳米纤维阵列是以铜网为掩膜，用反应离子刻蚀仪去除暴露在氧等离子体中聚苯乙烯纤维，而被铜网覆盖的纤维则留在基底上形成纤维阵列。图2示出在玻璃基底上静电纺丝30 min收集到的聚苯乙烯纤维膜，经10 min刻蚀后形成的纳米纤维阵列。图2(a)、(b)、(c)为采用网孔内边长分别为490、150、50 μm的铜网掩膜刻蚀得到的纳米纤维阵列。可看到，在3种尺寸的掩膜下，均形成了规则有序的纤维阵列，暴露在气体中的纤维与氧等离子体反应被去除。形成的纤维阵列尺寸与铜网掩膜尺寸完全一致。图2(d)中的结构说明条纹状纤维的宽度可小到约15 μm，且能根据掩膜的结构形成不同形状的纤维阵列；同时图中的纤维具有与刻蚀前纤维几乎同样的表面形貌和直径，说明掩膜能有效保护纤维不受刻蚀气体破坏，这归因于刻蚀过程中铜网掩膜与薄的纤维膜能紧密结合。由图2分析得出，用等离子体刻蚀可制备不同尺寸和形状的静电纺纤维阵列。由于大部分有机高分子纳米纤维都可与氧等离子体反应而被去除，因此，本文方法适用于制备不同高分子材料的静电纺纳米纤维阵列。

图2 纺丝30 min聚苯乙烯纳米纤维膜刻蚀后形成的纤维阵列的扫描电镜照片Fig.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)

图3示出以网孔边长为150 μm的铜网为掩膜，120 min静电纺丝收集到的纳米纤维膜为基底，经30 min氧等离子刻蚀后形成的纤维结构的扫描电镜照片。

图3 纺丝120 min聚苯乙烯纳米纤维膜经刻蚀后制备的纤维阵列扫描电镜照片Fig.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)

由图3(a)可看出，在纤维膜上形成了较为规则的孔洞结构阵列，洞的上沿内径约为250 μm，远远大于铜网掩膜网孔边长。与图2中结果相比，孔洞壁的纤维结构不是规则的线条状，宽度不均匀，且小于掩膜上铜线的宽度。这是由于纳米纤维膜较厚时，纤维间有较多的孔隙，氧等离子体可与被铜网垂直下方的纤维接触反应而产生一定程度的刻蚀。从图3(a)还可看出孔洞结构呈碗状，由上表面到底部，孔洞内径逐渐减小，并且有部分絮状纤维残留，可能是由于刻蚀反应过程中，等离子体反应产生的热量使部分反应的纤维片断融合到一起形成体积较大的纤维，没有被及时抽走而造成的。图3(b)为图3(a)中孔洞底部放大的扫描电镜照片，可看到仍然有纤维存在，说明经过30 min刻蚀后等离子刻蚀仍然没有完全将暴露在气体中的纤维刻蚀完毕。图3(b)中的纤维直径较为均匀，平均直径为 290 μm，与未经刻蚀的纤维相比，直径减小，这是受到一定的等离子体刻蚀的结果。由图3还可看出，当纳米纤维膜的厚度较厚时，容易形成鸟巢状的三维纤维结构。与已报道的纤维阵列制备方法比较，本文实验所采用的反应离子刻蚀法，由于无需使用溶剂，且大部分高分子都可与氧等离子体反应而被去除，因此，是一种适用于简便制备不同高分子纳米纤维阵列结构的通用方法，不会受到高分子材料性质的限制。

2.2 三维PS纤维结构的生物相容性分析

将制备的孔洞三维纤维结构作为细胞培养基底考察其生物相容性。在三维结构纳米纤维阵列表面种植密度约为1 000个/cm2的NIH3T3细胞，经3 d生长后，长有细胞的样品经固定、脱水处理，细胞在纤维结构上的生长情况如图4所示。

图4 细胞在不同纤维基底上生长的扫描电镜照片Fig.4 SEM images of cell growth on different fiber substrate. (a) On three dimensional fiber substrate; (b) On two dimensional fiber film

从图4(a)可看到，NIH3T3细胞在基底表面能很好的贴壁、生长。同时与孔洞底部较为平整的结构相比，细胞在孔洞内壁上能更好地黏附与生长，这可能是由于孔的内侧在刻蚀过程中形成了更加粗糙的纤维结构所致。作为对比实验，在平整的聚苯乙烯纤维膜表面进行NIH3T3细胞培养，结果如图4(b)所示，细胞只能在二维平面铺展生长，而无法在三维结构上进行生长。这是由于图4(b)中，纤维膜上的纤维间孔尺寸较小，细胞无法进入，实现三维生长。由图4还可看出，经等离子刻蚀形成的三维纤维孔洞阵列结构作为细胞生长基底时，有着良好的生物相容性，是一种理想的生物基底材料。

3 结 论

本文研究了一种利用静电纺丝和反应离子刻蚀技术制备纳米纤维阵列的新方法。纤维阵列的结构和尺寸可根据掩膜进行调节；同时，通过改变纳米纤维膜的厚度和反应离子刻蚀时间，可分别制备有序的二维纤维阵列或者三维的孔洞结构。因避免了溶剂的使用和复杂的工艺过程，且大部分的高分子材料均可与氧等离子体反应，因此，本文方法是一种简便、通用的制备静电纺丝纳米纤维阵列的方法。所制备的聚苯乙烯纳米纤维结构具有良好的生物兼容性，有望作为功能基底材料用于细胞培养等领域。

FZXB

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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

国家自然科学基金项目(21403165, 21501140)；陕西省自然科学基础研究计划项目(2015JQ2047, 2016JQ2002)；陕西省教育厅专项科研计划项目(15JK1453)

常梦洁(1987—)，女，讲师，博士。主要研究方向为有机无机复合纳米材料。刘俊，通信作者，E-mail：jun_liu@xust.edu.cn。

TQ 342

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