CN107286359B - 一种异质多层结构的水凝胶及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异质多层结构的水凝胶及其制备方法。该制备方法包括如下步骤：制备含有水溶性二价阳离子盐的具有光交联特性的温敏凝胶芯；将温敏凝胶芯浸泡于海藻酸钠水溶液中，经交联反应在其表面形成一层海藻酸盐凝胶；海藻酸钠水溶液含有光引发剂；将经上述处理后的温敏凝胶芯重复上一步骤，在其表面形成多层海藻酸盐凝胶；将经上述处理后的凝胶芯进行光照射，经光交联反应在温敏凝胶芯与海藻酸盐凝胶的界面处形成光交联凝胶层；去除未光交联反应的温敏凝胶芯即得。本发明方法操作简单，快速，数分钟即可成型多达10层的水凝胶结构；支持异质材料分层结构的快速成型；对细胞无损伤，多层凝胶结构可支持细胞、大分子、小分子的装载，具有广阔应用前景。

Description

一种异质多层结构的水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种异质多层结构的水凝胶及其制备方法，属于材料科学和工程技术领域。

背景技术

水凝胶材料是一类重要的生物医用材料，在组织工程、药物输运等领域都具有广泛应用。分层或梯度形式的异质水凝胶结构在仿生组织构建、药物可控缓释等方面起到了重要作用：体内广泛存在着异质分层结构，比如球状的肺泡，管状的血管、胆管、气管，片状的皮肤等组织均具有分层结构；分层水凝胶结构的逐层降解特点在药物及分子释放方面则表现着巨大潜力。

2008年，研究者首次报道了多层凝胶膜的成型(Nature.2008；452:76-79.)，它利用聚电解质材料反复在碱性溶液中浸涂，达到在界面由外向内逐层生成凝胶膜的效果。随后，研究者陆续报道了基于酸碱度交联(ACS Appl Mater Interfaces.2014,6(3):1872-1878.ACS Appl Mater Interfaces.2016,8(11):6880-6889.)、离子交联(SoftMatter.2009,5(10):1987-1989.)等形式的分层凝胶结构。这些方法能做到多达十几层的分层凝胶结构，主要集中在洋葱式的球形、简单的圆柱形；它们基本局限于一种材料，只是通过分步涂覆或反应，产生分层凝胶的效果；由于反应条件为强酸强碱以及材料生物相容性的限制，它们在细胞直接包裹式的生物工程应用场景中应用较少。

异质材料的分层结构，特别是用以仿生血管网络的分叉中空管结构，在制备上依然存在较大挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种异质多层结构的水凝胶及其制备方法，本发明利用交联剂或交联引发剂在相界面(固-液或固-固界面)可以进行扩散，从而激发交联反应的发生并形成凝胶层；具体地，将离子交联所依赖的离子装载在可光交联的固相(凝胶相)中，将光交联所依赖的光引发剂装载在可离子交联的液相(溶胶相)中，二者接触时，由于离子的扩散，使得固-液界面在液相一侧形成明显的离子交联凝胶；在光照的作用下，光引发剂产生自由基，由于自由基的扩散，使得在原始的固相一侧发生化学交联反应，形成一层稳定的光交联凝胶；原始固相中未发生化学交联反应的部分可以通过变温处理溶解，产生空腔结构。

本发明所提供的异质多层结构的水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备含有水溶性二价阳离子盐的温敏凝胶芯；

所述温敏凝胶芯具有光交联特性；

(2)将所述温敏凝胶芯浸泡于海藻酸钠水溶液中，经交联反应即在所述温敏凝胶芯的表面形成一层海藻酸盐凝胶；

所述海藻酸钠水溶液中含有光引发剂；

(3)将经步骤(2)处理后的所述温敏凝胶芯重复步骤(2)，即在所述温敏凝胶芯的表面形成多层所述海藻酸盐凝胶；

(4)将经步骤(3)处理后的所述凝胶芯进行光照射，经光交联反应即在所述温敏凝胶芯与所述海藻酸盐凝胶的界面处形成光交联凝胶层；去除未进行所述光交联反应的所述温敏凝胶芯材料，即得到所述异质多层结构的水凝胶。

所述的制备方法中，步骤(1)中，所述水溶性二价阳离子盐可为氯化钙、硫酸钙、氯化钡、氯化镁和硫酸镁中至少一种；

所述温敏凝胶芯中所述水溶性二价阳离子盐的质量-体积浓度可为0.001～0.1g/ml，具体可为0.02g/ml。

所述的制备方法中，步骤(1)中，可采用下述方法制备所述温敏凝胶芯：

①将温敏溶液浇注到采用金属、高分子塑料、高分子弹性体等材料制成的模具中(比如可以采用3D打印技术打印定制化模具)，等待凝胶完成即取出待用。

②用注射器吸取温敏溶液，等待凝胶完成，截断注射器前端，将凝胶柱推挤出即得到与注射器内部尺寸一致的凝胶芯。

③采用3D打印方法，将温敏溶液打印成想要的形状并进行凝胶。

所述温敏凝胶芯可为下述1)或2)

1)由具有光交联特性的温敏凝胶成型得到；

所述具有光交联特性的温敏凝胶指的是既具有可逆温敏凝胶特性(以便前期形成温敏凝胶，以及后续溶出未反应的芯)，又具有光交联特性，如GelMA(甲基丙烯酸酯明胶)，其接枝度可以在10～100％之间，可采用浓度为0.025～0.30g/ml的GelMA水溶液成型制备所述温敏凝胶芯；

2)由温敏凝胶组分和光交联组分的混合物成型得到；

所述温敏凝胶组分可为明胶、普朗尼克F127、基质胶、纤维素衍生物、壳聚糖、木葡聚糖和聚(N-异丙基丙烯酰胺)基材料、琼脂糖、聚丙烯酰胺等中任一种；

所述光交联组分可为甲基丙烯化透明质酸(MeHA)、聚乙二醇甲基丙烯、GelMA及其他甲基丙烯化高分子材料；

上述制备过程中，将所述水溶性二价阳离子盐溶于温敏溶液中即可得到含有水溶性二价阳离子盐的温敏凝胶芯。

所述温敏凝胶芯中含有如下1)-4)种组分中任一种：

1)胶原、纤维蛋白原、基质胶、纤连蛋白、透明质酸、明胶、壳聚糖和聚乙二醇中任一种，即天然或合成的蛋白、多糖等成分；

2)内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞、软骨细胞、肝细胞、心肌细胞、神经细胞癌细胞、各种成体干细胞、胚胎干细胞和诱导多能干细胞中任一种，即各种哺乳动物原代细胞或成熟细胞系；

3)细菌或病毒；

4)药物和/或核酸分子，比如抗癌药物、siRNA等；

不同种类的温敏凝胶，其成型温度也不同，对于高温凝胶低温溶胶的材料，凝胶成型温度处于较高温度，如普朗尼克F127的成型温度可以在20～50℃；如对于不同浓度的GelMA溶液或明胶基溶液，采用4℃的成型温度，均可适用。

所述的制备方法中，步骤(1)中，所述温敏凝胶芯的形状如下述1)-3)中任一种：

1)球体、椭球、四面体、六面体和八面体中任一种；

2)呈线状，具有如下a)-c)中至少一种特点：

a)横截面为圆形、正方形、梯形、五角星形、多边形或其他异形封闭图形；

b)具有单根或多分叉结构；所述多分叉结构的各轴线在二维平面或三维空间内；

c)沿轴线方向，横截面的形状和/或尺寸发生变化；

3)呈面状，表面为平整结构或具有厘米、毫米或微米级别的凸起和/或凹陷的表面几何形态。

所述的制备方法中，步骤(2)中，所述海藻酸钠水溶液的质量-体积浓度可为0.002～0.1g/ml，具体可为0.02g/ml，可采用低粘度、中等粘度或高粘度种类的海藻酸钠；

所述海藻酸钠水溶液中所述光引发剂的质量-体积浓度可为0.00005～0.005g/ml，具体可为0.0005g/ml；

可采用现有技术中常规的光引发剂，如选用Ciba Specialty Chemicals公司系列产品，包括Irgacure 2959(简称I2959)以及Irgacure 149、184、369、500、651、784、819、907、1700、1800、1850、1173和4265等产品，还包括LAP(全称lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate)等引发剂。

所述海藻酸钠水溶液和/或所述温敏凝胶芯中含有如下1)-4)种组分中任一种：

1)胶原、纤维蛋白原、基质胶、纤连蛋白、透明质酸、明胶、壳聚糖和聚乙二醇中任一种，即天然或合成的蛋白、多糖等成分；

2)内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞、软骨细胞、肝细胞、心肌细胞、神经细胞癌细胞、各种成体干细胞、胚胎干细胞和诱导多能干细胞中任一种，即各种哺乳动物原代细胞或成熟细胞系；

3)细菌或病毒；

4)药物和/或核酸分子，比如抗癌药物、siRNA等；

如制备多分叉、多层仿生的血管网时，可在不同层的海藻酸水凝胶中装载不同的细胞，如在第一层海藻酸水凝胶中装载内皮细胞、第二层海藻酸水凝胶中装载平滑肌细胞、第三层海藻酸水凝胶中装载成纤维细胞；其中所述海藻酸钠水溶液中混合的细胞浓度可以在0.0001～20×10⁶个/ml的范围内。

所述海藻酸钠水溶液中可含有所述光交联组分，当形成所述海藻酸盐凝胶层时，其中包裹有所述光交联组分；当进行进一步的光照时，所述光交联组分能发生光交联反应，并在材料相界面上与另一侧的所述温敏凝胶芯产生连接(光交联反应链生长机理中，可将不同高分子链上的光交联基团连接成凝胶网络)，由此使得异质层之间形成粘合，这样形成的海藻酸盐凝胶层(外层)和光交联凝胶层(内层)的结合良好，贴合紧密；当所述海藻酸钠水溶液中不含有所述光交联组分时，则无法在相界面上形成连接，因此异质层之间不能形成粘合。异质层之间粘合与否根据具体应用而定，例如对于多层血管结构的模拟，粘合有利，对于药物缓释，粘合与否可能均可。

所述的制备方法中，步骤(2)中，所述交联反应的时间(即所述温敏凝胶芯浸泡于所述海藻酸钠水溶液中的时间)可为1s～10min，时间越长，水溶性二价阳离子往外渗透的深度越深，形成的凝胶层或管壁越厚。

重复所述步骤(2)之前，包括将所述温敏凝胶芯进行如下1)-3)中任一处理的步骤：

1)置于空气中；

2)浸泡于水中，以清洗掉表面交联程度不强的海藻酸，得到更规则和明显分层结构；

3)浸泡于所述水溶性二价阳离子盐的水溶液中，以补充交联剂；

即将所述温敏凝胶芯(固相)从所述海藻酸钠水溶液(液相)中取出后进行上述处理即中断反应。

重复步骤(2)时，可采用同浓度的海藻酸钠水溶液或装载了其他组分的同浓度或不同浓度的海藻酸钠水溶液；再次交联反应的时间可以与前一次相同或不同，中断反应的操作可以与前一次相同或不同。

经成型的多层海藻酸盐水凝胶层数可以1～15层。

所述的制备方法中，步骤(4)中，所述光交联反应的条件如下：

光照波长为300～780nm；

光照强度为1～1000mW/cm²；

光照时间越长，得到的所述光交联凝胶层越厚。

去除未反应的所述温敏凝胶芯材料的步骤如下：

切除表面形成多层所述海藻酸盐凝胶及光交联凝胶的所述温敏凝胶芯的首尾端，使所述温敏凝胶芯未反应的内部材料溶出；

不同种类的温敏凝胶，其溶解温度也不同，如，对于用GelMA或明胶基作为温敏凝胶材料，溶芯温度可设置在30～70℃之间；对于用普朗尼克F127作为温敏凝胶材料，溶芯温度可设置在0～15℃；

可以单独切除首端或尾端或同时切除首尾端；对于多分叉结构，切除部位可以是任何一个或几个或所有分叉的尾端；切除操作可以在所述温敏凝胶芯溶解之前或之后。

本发明还提供了一种基于预制血管网的三维组织结构，包括所述异质多层结构的水凝胶和浇注于所述异质多层结构的水凝胶周围的组织细胞；

具体可按照如下步骤进行制备：

将所述异质多层结构的水凝胶(血管网)置于匹配的组织成型腔中，露出灌流培养的进出口管口；在血管网周围，向组织成型腔中成型含特定组织细胞的结构；

所述组织成型腔可以是一个具有特定形状的顶部开口的空腔，用以固定预制血管网，并成型特定组织；其材质可以是ABS、PLA等塑料或者PDMS等弹性体，该成型腔的制造方法可以是铸造或直接3D打印。

关于所述成型步骤，可以向所述组织成型腔中直接浇注含细胞水凝胶或纯细胞溶液；添加的含细胞成分可以进行交联处理或不进行交联处理；还可以向组织成型腔中直接打印特定的组织细胞，在预制血管网周围将不同种类的水凝胶或细胞打印成不同的结构，以促进组织的生成；组织结构的打印及成型腔的打印可以同时进行；在组织成型过程中，浇注法和3D打印法可以同时或单独进行。

所述三维组织结构具有如下优点：1)利用预制仿生血管网，提高了组织的营养输运效率；2)组织拓展性好，根据目标组织的特点，可以进行不同仿生血管网络的制造；3)结合预制仿生血管网及细胞直接打印技术，可以在血管网的基础上成型异质细胞组分的组织，具有更强的仿生效果。

所述异质多层结构的水凝胶和所述三维组织结构在生物工程中具有潜在的应用，如用于：

1)组织及器官的修复与重建，可以针对心肌、肝脏、肾脏、骨、软骨等组织工程，进行相应的组织构建；

2)病理模型的研究，基于预制血管网，可以研究相应生理场景下癌症迁移等病变的规律；

3)药物测试，基于预制血管网，可以模拟药物的释放和作用，并基于构建的组织模型，检测特定药物的作用。

本发明可用于制备具有复杂分叉或异形的、壁面具有异质分层效果的、可以装载活细胞及分子的囊泡状、中空管状及片状结构，即，本发明以离子交联的海藻酸钠和光交联的明胶甲基丙烯酰氯(GelMA)为例，通过二价阳离子和自由基在相界面的扩散，引发相应位置发生交联反应，进而形成凝胶层。

本发明方法操作简单，制造快速，数分钟即可成型多达10层的水凝胶结构；支持异质材料分层结构的快速成型；异质分层结构几何形态灵活，主要取决于温敏凝胶芯的几何形态，可球状、管状、片状，且可分叉，可变直径，可变形状；操作过程所在理化环境柔和，对细胞无损伤，多层凝胶结构可支持细胞、大分子、小分子的装载，具有广阔应用前景。

附图说明

图1为本发明制备分叉、异质多层结构的水凝胶的流程图。

图2为本实施例制备的具有两级分叉的、异质多层结构的水凝胶的截面示意图。

图3为本发明制备的囊壳结构的异质分层水凝胶的结构示意图。

图4为本发明制备的片状结构的异质分层水凝胶的结构示意图。

图5为本发明制备方法所依据的异质材料界面渗透交联原理示意图。

图6为本发明制备的异质分层中空管的横截面显微光镜照片。

图7为本发明制备的无层间粘合的、异质分层中空管的横截面显微光镜(左图)和显微扫描电镜照片(右图)。

图8为本发明制备的具有层间粘合的、异质分层中空管的横截面显微光镜(左图)和显微扫描电镜照片(右图)。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1、两级分叉的、异质多层结构的水凝胶的制备

按照图1所示的流程图进行制备。

(1)制备两级分叉的凝胶芯

用FDM打印机制造PLA材质的两级分叉模具，浇注含有氯化钙(0.02g/ml)的GelMA水溶液，其中GelMA的质量-体积浓度为005g/ml，在4℃下进行凝胶成型(GelMA溶液具有高温溶解低温凝胶的特性，该过程可逆)，得到两级分叉的凝胶芯，直径为2～3mm。

(2)第一层海藻酸钙凝胶的制备

在室温下，将制备的两级分叉的凝胶芯浸泡在含有I2959光引发剂的海藻酸钠水溶液(浓度为0.02g/ml)中，其中光引发剂的质量-体积浓度为0.0005g/ml，等待30s，由于钙离子(交联剂)向海藻酸钠溶液中的扩散并引起交联反应，取出后的凝胶芯表面即包裹一层海藻酸钙凝胶，并浸泡在纯水中10s，以清洗掉表面交联程度不强的海藻酸，得到更规则和明显分层结构。

(3)第二层海藻酸钙凝胶的制备

将包裹一层海藻酸钙凝胶再次放入含有I2959光引发剂的海藻酸钠水溶液(0.02g/ml)中进行第二层涂覆，其中光引发剂的质量-体积浓度为0.0005g/ml，交联反应30s后即在凝胶芯表面包裹上第二层海藻酸钙凝胶，取出并浸泡在纯水中10s。

(4)光交联凝胶层的制备

采用波长为320～390nm、光强为7～20mW/cm²的紫外光照步骤(3)处理后的结构，由于自由基的扩散，使得凝胶芯由界面向内部产生光交联反应，形成稳定凝胶层；将该结构的首尾端切除，露出内部的温敏凝胶芯；将该结构置于37℃下，使得内部的未发生光交联反应的温敏凝胶溶解并流出，由此即形成了多层水凝胶中空管结构。

本实施例制备的具有两级分叉的、异质多层结构的水凝胶的截面示意图如图2所示，其中，1表示外部多层的离子交联凝胶层，2表示内部的光交联凝胶层，3表示芯部空腔。

当采用球形和片状的温敏凝胶芯结构时，按照上述方法可分别得到囊壳水凝胶结构和片状结构的异质分层水凝胶结构，其结构示意图如图3和图4所示。

本发明制备方法所依据的异质材料界面渗透交联原理如图5所示，左一图为交联反应前的状态(界面右侧的离子往左侧渗透)，左二图所示为离子交联发生后在界面左侧形成离子交联层，右二图为光照后界面左侧中的光引发剂产生自由基，且自由基往界面右侧渗透，右一图所示为光交联发生后在界面右侧形成光交联层。图标：1表示离子交联凝胶层，2表示光交联凝胶层，4表示含有光引发剂的、未发生离子交联反应的高分子溶液(实例中为添加了I2959的海藻酸钠溶液)，5表示相界面，6表示含有二价阳离子的、未发生光交联反应的温敏可逆凝胶(实例中为添加了钙离子的GelMA凝胶)，7表示二价阳离子，8表示可发生离子交联反应的高分子链(实例中为海藻酸钠)，9表示光引发剂，10表示光引发剂受光激发产生的自由基，11表示可发生光交联反应的高分子链(实例中为GelMA)。

将温敏凝胶芯中装载GelMA，按照上述方法得到异质分层水凝胶，其横截面的显微镜照片和显微扫描电镜照片分别如图8中的左图和右图所示，温敏凝胶芯中未装载GelMA所制备的异质分层水凝胶的横截面的显微光镜照片和显微扫描电镜照片分别如图7中的左图和右图所示，图7中12表示层间空隙，可以看出，图7中内外的光交联和离子交联凝胶层在形成后发生明显的脱离，说明异质层之间不存在粘合或粘合性不好；而图8中内外两层凝胶结合良好，贴合紧密，未观察到脱离。原因在于：图8中原始海藻酸钠溶液中含有可光交联的高分子材料GelMA，当海藻酸钠的离子交联层形成后，其中包裹有可光交联的高分子材料GelMA；当进行进一步的光照时，GelMA能发生光交联反应，并在材料相界面上与另一侧的凝胶芯材料产生连接(光交联反应链生长机理中，可将不同高分子链上的光交联基团连接成凝胶网络)，由此使得异质层之间形成粘合；而图7中原始海藻酸钠溶液中不含可光交联的高分子材料GelMA，无法在相界面上形成连接，因此异质层之间不能形成粘合。

本发明考察了光交联时间的影响，如图6所示的异质分层中空管的横截面显微光镜照片，图中，外部深色层为离子交联凝胶层，内部白色透明层为光交联凝胶层，可以看出，光照时间越长，内部光交联层越厚。

实施例2、两级分叉的、含细胞异质多层结构的水凝胶的制备

制备方法与实施例1中基本相同，不同之处在于：

1)将内皮细胞装载于温敏凝胶芯中；

2)第一层海藻酸钙凝胶的制备步骤中，将凝胶芯浸泡在含平滑肌细胞的海藻酸钠水溶液中(细胞浓度为10×10⁶个/ml)，得到第一层平滑肌细胞凝胶层；

3)第二层海藻酸钙凝胶的制备步骤中，将凝胶芯浸泡在含成纤维细胞的海藻酸钠水溶液中(细胞浓度为10×10⁶个/ml)，得到第二层成纤维细胞凝胶层。

本实施例形成的血管网结构可以进行静态培养、灌注培养、力刺激培养、电刺激培养及用其他生物反应器进行培养，或多种培养方式的组合。

实施例3、含血管网的三维厚组织的构建

将实施例2制备的预制血管网置于匹配的组织成型腔中，露出灌流培养的进出口管口；在血管网周围，向组织成型腔中成型含特定组织细胞的结构，即通过步骤10制造围绕该血管网的三维厚组织结构，预先制造的血管网能为厚组织提供细胞所必须的营养物质和氧气。

本实施例中，组织成型腔可以是一个具有特定形状的顶部开口的空腔，用以固定预制血管网，并成型特定组织；其材质可以是ABS、PLA等塑料或者PDMS等弹性体，该成型腔的制造方法可以是铸造或直接3D打印。

本实施例中，组织成型的方式可为：①向组织成型腔中直接浇注含细胞水凝胶或纯细胞溶液；②添加的含细胞成分可以进行交联处理或不进行交联处理；③向组织成型腔中直接打印特定的组织细胞，在预制血管网周围将不同种类的水凝胶或细胞打印成不同的结构，以促进组织的生成；④组织结构的打印及成型腔的打印可以同时进行；⑤在组织成型过程中，浇注法和3D打印法可以同时或单独进行。

通过含血管网的三维厚组织的构建，可以利用预制仿生血管网，提高组织的营养输运效率；组织拓展性好，根据目标组织的特点，可以进行不同仿生血管网络的制造；结合预制仿生血管网及细胞直接打印技术，可以在血管网的基础上成型异质细胞组分的组织，具有更强的仿生效果。

综上，本发明制备的预制血管网(如两级分叉的、(细胞)异质多层结构的水凝胶)以及基于预制血管网的三维厚组织可应用于如下方面：

1)组织及器官的修复与重建，如可针对心肌、肝脏、肾脏、骨、软骨等组织工程，进行相应的组织构建；

2)病理模型的研究，如基于预制血管网，可研究相应生理场景下癌症迁移等病变的规律；

3)药物测试，如基于预制血管网，可模拟药物的释放和作用，并基于构建的组织模型，检测特定药物的作用。

Claims (10)

1.一种异质多层结构的水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

（1）制备含有水溶性二价阳离子盐的温敏凝胶芯；

所述温敏凝胶芯具有光交联特性；

（2）将所述温敏凝胶芯浸泡于海藻酸钠水溶液中，经交联反应即在所述温敏凝胶芯的表面形成一层海藻酸盐凝胶；

所述海藻酸钠水溶液中含有光引发剂；

（3）将经步骤（2）处理后的所述温敏凝胶芯重复步骤（2），即在所述温敏凝胶芯的表面形成多层所述海藻酸盐凝胶；

（4）将经步骤（3）处理后的所述凝胶芯进行光照射，经光交联反应即在所述温敏凝胶芯与所述海藻酸盐凝胶的界面处形成光交联凝胶层；去除未进行所述光交联反应的所述温敏凝胶芯，即得到所述异质多层结构的水凝胶。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述水溶性二价阳离子盐为氯化钙、硫酸钙、氯化钡、氯化镁和硫酸镁中至少一种；

所述温敏凝胶芯中所述水溶性二价阳离子盐的质量-体积浓度为0.001~0.1g/ml。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述温敏凝胶芯为下述1）或2）：

1）由具有光交联特性的温敏凝胶成型得到；

2）由温敏凝胶组分和光交联组分的混合物成型得到。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述温敏凝胶芯的形状如下述1）-3）中任一种：

1）球体、椭球、四面体、六面体和八面体中任一种；

2）呈线状，具有如下a）-c）中至少一种特点：

a）横截面为圆形、正方形、梯形、五角星形或其他异形封闭图形；

b）具有单根或多分叉结构；所述多分叉结构的各轴线在二维平面或三维空间内；

c）沿轴线方向，横截面的形状和/或尺寸发生变化；

3）呈面状，表面为平整结构或具有厘米、毫米或微米级别的凸起和/或凹陷的表面几何形态。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述海藻酸钠水溶液的质量-体积浓度为0.002~0.1g/ml；

所述海藻酸钠水溶液中所述光引发剂的质量-体积浓度为0.00005~0.005g/ml。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述交联反应的时间为1s~10min；

重复所述步骤（2）之前，包括将所述温敏凝胶芯进行如下1）-3）中任一处理的步骤：

1）置于空气中；

2）浸泡于水中；

3）浸泡于所述水溶性二价阳离子盐的水溶液中。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述光交联反应的条件如下：

光照波长为300~780nm；

光照强度为1~1000mW/cm²。

8.权利要求1-7中任一项所述制备方法制备的异质多层结构的水凝胶。

9.一种基于预制血管网的三维组织结构，包括权利要求8所述异质多层结构的水凝胶和浇注于所述异质多层结构的水凝胶周围的组织细胞。

10.权利要求8所述异质多层结构的水凝胶或权利要求9所述基于预制血管网的三维组织结构在如下1）-2）中任一种中的应用：

1）病理模型的研究

2）药物测试。

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