CN108904885A - 可控降解生物水凝膜及其制作方法和应用 - Google Patents

可控降解生物水凝膜及其制作方法和应用 Download PDF

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Abstract

一种可控降解生物水凝膜及其制作方法和应用，该可控降解生物水凝膜包括：至少一层水凝胶膜，介于两层介质膜之间；可从所述水凝胶膜上揭离的至少两层介质膜，用于封装和保护水凝胶膜；其中所述水凝胶膜为多种具有生物相容性且生物可降解性的医用水凝胶材料以层叠和/或交叉排列和/或均匀混合的方式紧密结合形成，以实现不同材料的逐步降解，产生不同微观结构，以诱导组织工程过程中细胞的定向排布和表征。使用该可控降解水凝膜构建的分层组织具备更仿生的结构和生理环境，应用于药物筛选、病理研究和疗法研究时更加准确，应用于组织移植时更加安全。

Description

可控降解生物水凝膜及其制作方法和应用
技术领域
本发明涉及组织工程领域，特别是涉及可控降解生物水凝膜及其制作方法和应用。
背景技术
目前，在药物筛选、病理研究、疗法研究以及器官修复和置换的过程中，都需要通过组织工程的方法，在体外还原体内大型器官的复杂组织，复杂的组织都包含复杂的分层结构。在构建这些复杂分层结构的过程中，需要有机械性能良好的隔膜以保证分层结构的长期稳定维持；而在复杂组织通过生物自组织成型以后，为了避免异物的不利影响，这些隔膜需要在不破坏结构的前提下移除。
目前构建复杂分层组织时，不使用生物隔膜时难以形成良好、长期稳定的分层结构，使用生物膜时则难以在组织成型后去除，因此用于分析研究时存在不准确的问题，用于组织修复时则存在损伤体内组织器官的风险。此外，目前的生物隔膜还存在细微结构单一、超薄生物膜存贮、运输和使用不方便的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种可控降解生物水凝膜及其制作方法和应用。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种可控降解生物水凝膜，包括：
至少一层水凝胶膜，介于两层介质膜之间；
可从所述水凝胶膜上揭离的至少两层介质膜，用于封装和保护水凝胶膜；
其中所述水凝胶膜为多种具有生物相容性且生物可降解性的医用水凝胶材料以层叠和/或交叉排列和/或均匀混合的方式紧密结合形成，以实现不同材料的逐步降解，产生不同微观结构，以诱导组织工程过程中细胞的定向排布和表征。
进一步地：
所述医用水凝胶材料包括明胶-甘油混合物、各种胶原蛋白、纤维蛋白、海藻酸盐、PLGA、壳聚糖中的一种或多种。
所述介质膜为防粘、不透气的高分子聚合物薄膜，优选地，包括PET、PTFE、PEVA、PE中的一种或多种。
所述可控降解生物水凝膜具有楔形边角，从最下层介质膜到顶层介质膜各层的边角余量逐层变大或变小。
一种所述的可控降解生物水凝膜的制作方法，包括以下步骤：
先平铺最下层介质膜(1)；而后在所述介质膜(1)上铺设水凝胶膜(2)材料并去溶剂固化，重复水凝胶膜(2)材料铺设和去溶剂固化的过程，直至水凝胶膜(2)制作完成，制作出一层水凝胶膜(2)-介质膜(1)的单元结构(3)；在所述单元结构(3)的顶层盖上一层介质膜(1)，或者，重复上述水凝胶膜(2)-介质膜(1)的单元结构(3)的制作过程，直至多层层叠堆积的单元结构(3)制作完成，并在所述层叠堆积的单元结构(3)的顶层盖上一层介质膜(1)。
剪裁所述可控降解生物水凝膜并切出楔形边角，使得从最下层介质膜到顶层介质膜各层的边角余量逐层变大或变小。
所述铺设水凝胶膜材料的方法为旋涂、喷涂、多种方式的3D打印、压延等一种或多种工艺方法的组合。
所述去溶剂的方法包括低压干燥、低湿度晾干、微波干燥、红外干燥、添加不溶解溶质而溶解溶剂的另一种溶剂等一种或多种工艺方法的组合。
一种所述的可控降解生物水凝膜的应用，包括：揭开水凝胶膜两侧的介质膜，将水凝胶膜贴附在人工组织/细胞层的表面，而后在水凝胶膜的另一面接种新的人工组织/细胞层，重复贴水凝胶膜和接种新的人工组织/细胞层的过程，直至复杂的分层人工组织构建完成。
优选地，所述可控降解包括生物代谢自发降解、无毒害溶剂溶解；所述可控降解过程通过水凝胶膜的厚度和/或水凝胶膜材料的组分和/或水凝胶膜材料的密度和/或无毒害溶剂的添加时间和/或无毒害溶剂的添加速率进行控制；
优选地，所述多层人工组织包括各种包含分层组织的器官芯片、骨-软骨隔膜、分层血管。
本发明的有益效果：
本发明的水凝膜包括至少两层介质膜和至少一层水凝胶膜。通过揭去介质膜，将水凝胶膜覆盖粘贴在目标位置，而后揭去与该水凝胶膜相邻的另一层介质膜，即可实现水凝胶膜向目标位置的粘贴；该水凝胶膜在粘贴后，能够充当组织工程分层组织的临时介质，初期提供足够的机械性能维持结构，而后期在自组织产生的机械性能足够后，能够完全无害降解。使用该可控降解水凝膜构建的分层组织具备更仿生的结构和生理环境，应用于药物筛选、病理研究和疗法研究时更加准确，应用于组织移植时更加安全。
相比现有技术，本发明具有以下突出优点：
通过控制膜材料的种类、各组分的含量和无毒害溶剂，可以实现膜材料的可控溶解，以使水凝膜在人工组织构建的不同阶段提供不同的机械性能，确保人工组织在初期的良好结构和后期的仿生环境。
通过多种工艺方法的组合，所制作的水凝胶膜具备孔隙、交叉、层叠等多种结构复杂，在置于分层的人工组织之间时，可以诱导细胞的定向分化和表征，有利于人工组织的可控自组织成型。
通过介质膜的保护，可以实现水凝胶膜的良好封装，可以避免水凝胶膜机械损伤，也可以避免水凝胶膜的污染和变质，以便于生物水凝膜的储存和运输。
附图说明
图1为本发明可控降解生物水凝膜一个实施例的分解简图。
图2a至图2c为三个实施例的水凝胶膜的横截面结构简图。
图3为一个实施例在微流控芯片中的具体应用的横截面。
图4为一个实施例在人工骨-软骨中的具体应用的横截面。
图5为一个实施例在人工血管中的具体应用的简图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1和图2c，在一种实施例中，一种可控降解生物水凝膜，包括：至少一层水凝胶膜2，介于两层介质膜1之间,一层介质膜1和一层水凝胶膜2组成一个单元结构3；可从所述水凝胶膜2上揭离的至少两层介质膜1，用于封装和保护水凝胶膜2；其中所述水凝胶膜2为多种具有生物相容性且生物可降解性的医用水凝胶材料以层叠和/或交叉排列和/或均匀混合的方式紧密结合形成，以实现不同材料的逐步降解，产生不同微观结构，以诱导组织工程过程中细胞的定向排布和表征。
在优选的实施例中，所述医用水凝胶材料包括明胶-甘油混合物、各种胶原蛋白、纤维蛋白、海藻酸盐、PLGA、壳聚糖中的一种或多种。
在优选的实施例中，所述介质膜1为防粘、不透气的高分子聚合物薄膜，优选地，包括PET、PTFE、PEVA、PE中的一种或多种。高分子聚合物薄膜保护水凝胶膜2免受机械损伤并实现无菌密封
在优选的实施例中，所述可控降解生物水凝膜具有楔形边角，从最下层介质膜1到顶层介质膜1的各层的边角余量逐层变大或变小，便于使用时易于揭开分离介质膜1和水凝胶膜2。
参阅图2a至图2c，在另一种实施例中，一种所述的可控降解生物水凝膜的制作方法，包括以下步骤：
先平铺最下层介质膜(1)；而后在所述介质膜(1)上铺设水凝胶膜(2)材料并去溶剂固化，重复水凝胶膜(2)材料铺设和去溶剂固化的过程，直至水凝胶膜(2)制作完成，制作出一层水凝胶膜(2)-介质膜(1)的单元结构(3)；在所述单元结构(3)的顶层盖上一层介质膜(1)，或者，重复上述水凝胶膜(2)-介质膜(1)的单元结构(3)的制作过程，直至多层层叠堆积的单元结构(3)制作完成，并在所述层叠堆积的单元结构(3)的顶层盖上一层介质膜(1)。
在优选的实施例中，剪裁可控降解生物水凝膜并切出楔形边角，使得从最下层介质膜到顶层介质膜各层的边角余量逐层变大或变小。所述裁剪过程包括标准尺寸的裁剪和边角上楔形边的裁切，便于使用时不在需要裁剪且易于揭开分离介质膜和水凝胶膜。使用时，沿楔形切边揭开水凝胶膜(2)相邻的两层介质膜(1)，将水凝胶膜(2)贴附在分层人工组织的层状结构的分界面即可。
在优选的实施例中，所述铺设水凝胶膜材料的方法为旋涂、喷涂、多种方式的3D打印、压延等一种或多种工艺方法的组合，以使水凝胶膜具备不同数量级的厚度和微观结构。
在优选的实施例中，所述去溶剂的方法包括低压干燥、低湿度晾干、微波干燥、红外干燥、添加不溶解溶质而溶解溶剂的另一种溶剂等一种或多种工艺方法的组合，以使水凝胶膜具备不同的孔隙率和微观结构。
参阅图3至图5，在另一种实施例中，一种所述的可控降解生物水凝膜的应用，包括：揭开水凝胶膜两侧的介质膜，将水凝胶膜贴附在人工组织/细胞层的表面，而后在水凝胶膜的另一面接种新的人工组织/细胞层，重复贴水凝胶膜和接种新的人工组织/细胞层的过程，直至复杂的分层人工组织构建完成，充当组织工程分层组织的临时介质，初期提供足够的机械性能维持结构；后期在细胞自组织产生良好的机械性能后，水凝胶膜可以通过控制进行无害降解。
在优选的实施例中，所述降解过程依据材料不同采取不同的方法，包括生物代谢自发降解、无毒害溶剂溶解；所述可控降解过程通过水凝胶膜的厚度和/或水凝胶膜材料的组分和/或水凝胶膜材料的密度和/或无毒害溶剂的添加时间和/或无毒害溶剂的添加速率进行控制；
在优选的实施例中，所述多层人工组织的具体应用场景，包括各种包含分层组织的器官芯片、骨-软骨隔膜、分层血管等。
一种可控降解生物水凝膜的制作方法，具体的工艺流程为：
①平铺介质膜，用于水凝膜底层的封装；
②在介质膜上均匀铺设水凝胶膜材料；
③去除水凝胶膜材料中的溶剂，实现水凝胶膜的固化；
④重复②和③若干次，实现多层材料水凝胶膜的成型；
⑤重复①～④若干次，实现若干层相同水凝胶膜的制作和封装；
⑥在最上层盖上介质膜，实现上层水凝胶膜的顶层的封装；
⑦裁剪，实现水凝膜标准尺寸的制作，而后备用。
当选择明胶-甘油混合物为制作材料时，一种可控降解生物水凝膜的制作方法包括：
0)材料配比：明胶(1w)+水(1w/v)+甘油(0.05左右v)
1)直用膜工艺流程：
A.80℃水浴锅蒸汽预热四氟板+托盘基板、水凝胶材料；
B.倒胶，【快速】并【过量】；.
C.4000rpm，甩胶；
D.40℃烘箱，10s；
E.覆盖等离子清洗机表面处理过的PDMS取下水凝胶膜；
F.揭膜剪裁。
图1为一个实施例的分解简图。该实施例由若干层水凝胶膜(2)和若干层介质膜(1)组成。具体的制作过程为：先平铺介质膜(1)；而后通过旋涂、喷涂、多种方式的3D打印、压延等一种或多种工艺方法在介质膜(1)上铺设水凝胶膜(2)材料并去溶剂固化，重复水凝胶膜(2)铺设膜材料和去溶剂固化的过程，直至水凝胶膜(2)制作完成，至此制作出了一层水凝胶膜(2)-介质膜(1)的单元结构(3)；重复铺介质膜(1)和水凝胶膜(2)的制作过程，直至多层相同的单元结构(3)制作完成并呈层叠堆积；最后在顶层盖上介质膜(1)，剪裁并切出楔形边角，备用。使用时，沿楔形切边揭开水凝胶膜(2)相邻的两层介质膜(1)，将水凝胶膜(2)贴附在分层人工组织的层状结构的分界面即可。
图2为水凝胶膜(2)的三个实施例的横截面结构简图。图2a所示为3种不同医用生物水凝胶材料(2.1)、(2.2)和(2.3)以层叠方式形成的多层结构水凝胶膜(2)，不同的层分别提供不同的机械性能、溶解性能、孔隙率和微观结构等。图2b所示为3种不同医用生物水凝胶材料(2.1)、(2.2)和(2.3)以交叉的方式形成的多层结构水凝胶膜(2)，三种材料纤维的排布结构可以诱导细胞的自组织行为。图2c所示为3种不同医用生物水凝胶材料(2.1)、(2.2)和(2.3)以混合的方式形成的多层结构水凝胶膜(2)，(2.1)为基质材料，为水凝胶膜(2)提供机械性能作为支撑，材料(2.2)和材料(2.3)为混合的网络结构，在材料(2.1)快速降解后为人工组织中细胞的自组织行为提供诱导环境。图2a、图2b和图2c只是水凝胶膜(2)的三种基本结构，通过这三种基本结构的组合和更多种类材料的使用，水凝胶膜(2)还可以具备更加复杂和多样化的结构以满足不同的人工组织的需求。
图3为一个实施例在微流控芯片中的具体应用的横截面。该应用实施例中，包括培养液(4)、PDMS芯片(5)、水凝胶膜(2)、一层人工组织(6.1)和一层其他细胞种类的人工组织(6.2)。不同的人工组织(6.1)和(6.2)通过水凝胶膜(2)分隔和支撑，封装在两片PDMS芯片(5)中，上层灌注培养液(4)，即可实现分层组织在微流控芯片上的构建和培养。
图4为一个实施例在人工骨-软骨中的具体应用的横截面。该应用实施例中，包括骨(7)、软骨(8)和水凝胶膜(2)。骨(7)和软骨(8)通过水凝胶膜(2)分隔，充当软质的支撑以避免骨(7)或软骨(8)的损伤。
图5为一个实施例在人工血管中的具体应用的简图。该实施例中，从最外层到最内层依次为：水凝胶膜(2)、由成纤维细胞组成的人工血管壁外膜组织(9.1)、水凝胶膜(2)、由平滑肌细胞组成的人工血管壁中膜组织(9.2)、水凝胶膜(2)、由血管内皮细胞组成的人工血管壁外膜组织(9.3)和硬质圆柱网状组织工程支架(10)。构建方式为，在三片水凝胶膜(2)上分别接种成纤维细胞、平滑肌细胞和血管内皮细胞，培养一段时间后，将含细胞的面——即外膜组织(9.1)、中膜组织(9.2)和内膜组织(9.3)——朝内，由内而外依次包裹在硬质圆柱网状组织工程支架(10)上，形成人工血管。水凝胶膜(2)在此过程中的作用为分隔外膜、中膜和内膜中的不同细胞，支撑并诱导三层膜结构的成形。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可控降解生物水凝膜，其特征在于,包括：
至少一层水凝胶膜，介于两层介质膜之间；
可从所述水凝胶膜上揭离的至少两层介质膜，用于封装和保护水凝胶膜；
其中所述水凝胶膜为多种具有生物相容性且生物可降解性的医用水凝胶材料以层叠和/或交叉排列和/或均匀混合的方式紧密结合形成，以实现不同材料的逐步降解，产生不同微观结构，以诱导组织工程过程中细胞的定向排布和表征。
2.如权利要求1所述的可控降解生物水凝膜，其特征在于,所述医用水凝胶材料包括明胶-甘油混合物、各种胶原蛋白、纤维蛋白、海藻酸盐、PLGA、壳聚糖中的一种或多种。
3.如权利要求1或2所述的可控降解生物水凝膜，其特征在于,所述介质膜为防粘、不透气的高分子聚合物薄膜，优选地，包括PET、PTFE、PEVA、PE中的一种或多种。
4.如权利要求1至3任一项所述的可控降解生物水凝膜，其特征在于,所述可控降解生物水凝膜具有楔形边角，从最下层介质膜到顶层介质膜各层的边角余量逐层变大或变小。
5.一种如权利要求1至4任一项所述的可控降解生物水凝膜的制作方法，其特征在于,包括以下步骤：
先平铺最下层介质膜(1)；而后在所述介质膜(1)上铺设水凝胶膜(2)材料并去溶剂固化，重复水凝胶膜(2)材料铺设和去溶剂固化的过程，直至水凝胶膜(2)制作完成，制作出一层水凝胶膜(2)-介质膜(1)的单元结构(3)；在所述单元结构(3)的顶层盖上一层介质膜(1)，或者，重复上述水凝胶膜(2)-介质膜(1)的单元结构(3)的制作过程，直至多层层叠堆积的单元结构(3)制作完成，并在所述层叠堆积的单元结构(3)的顶层盖上一层介质膜(1)。
6.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于,剪裁所述可控降解生物水凝膜并切出楔形边角，使得从最下层介质膜到顶层介质膜各层的边角余量逐层变大或变小。
7.如权利要求5或6所述的制作方法，其特征在于,所述铺设水凝胶膜材料的方法为旋涂、喷涂、多种方式的3D打印、压延等一种或多种工艺方法的组合。
8.如权利要求5至7任一所述的制作方法，其特征在于,所述去溶剂的方法包括低压干燥、低湿度晾干、微波干燥、红外干燥、添加不溶解溶质而溶解溶剂的另一种溶剂等一种或多种工艺方法的组合。
9.一种如权利要求1至4任一项所述的可控降解生物水凝膜的应用，其特征在于,包括：揭开水凝胶膜两侧的介质膜，将水凝胶膜贴附在人工组织/细胞层的表面，而后在水凝胶膜的另一面接种新的人工组织/细胞层，重复贴水凝胶膜和接种新的人工组织/细胞层的过程，直至复杂的分层人工组织构建完成。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于,
优选地，所述可控降解包括生物代谢自发降解、无毒害溶剂溶解；所述可控降解过程通过水凝胶膜的厚度和/或水凝胶膜材料的组分和/或水凝胶膜材料的密度和/或无毒害溶剂的添加时间和/或无毒害溶剂的添加速率进行控制；
优选地，所述多层人工组织包括各种包含分层组织的器官芯片、骨-软骨隔膜、分层血管等。
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