CN109438729B - 一种水凝胶表面微凸起结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水凝胶表面微凸起结构的制备方法，属于生物技术领域。本发明方法利用气体生成化学反应诱导形成水凝胶表面的微凸起结构，以实现三维结构材料表面的仿生微凸起结构制备，从而使得凝胶材料表面具有仿生微凸起结构，进而可能被用于构建仿生组织或器官。本发明方法制备的微凸起结构是生物体内普遍存在的一种几何结构，为细胞提供着特殊的微环境，而水凝胶材料是构建体外仿生组织的重要材料，因此在水凝胶表面制备出仿生微凸起结构对于仿生组织构建十分重要。

Description

一种水凝胶表面微凸起结构的制备方法
技术领域
本发明涉及一种水凝胶表面微凸起结构的制备方法，属于生物技术领域。
背景技术
表面微凸起结构是自然界中普遍存在的一种结构。特殊的仿生几何结构可能具有特殊的功能。在生物体内，表面微凸起结构为细胞提供了特殊的几何微环境，如肾小球中的卷曲血管为肾小球足细胞、肺泡为肺泡上皮细胞提供了微米级的曲面结构。体外细胞培养研究表明，仿生微凸起结构影响着细胞的取向、功能和增殖分化行为。因此在体外模拟这种微结构，从而为细胞提供更加仿生的微环境，对于构建体外仿生器官/组织至关重要。
水凝胶材料由于具有较好的细胞相容性及仿生力学性质等优势，近年来已被广泛应用于构建体外仿生器官/组织。目前已有的技术主要是通过模板法来实现水凝胶或者其他材料(如聚二甲基硅氧烷)表面微凸起结构的制备。基于模板法制备微凸起结构，需要利用复杂的微加工技术制备出有微凹槽或凸起结构的模具，进而经过繁琐的翻模过程，最终在目标材料表面制备出微凸起结构。由于模具制作工艺的局限性及模板法的局限性，目前只能实现微凸起结构在二维平面上的制备。然而，在构建仿生组织过程中，仿生基元材料通常具有一定的三维结构(如管状、纤维状、球状)。利用模板法显然难以在具有复杂三维结构的材料表面实现微凸起结构的制备。
发明内容
本发明的目的是提出一种水凝胶表面微凸起结构的制备方法，利用气体生成化学反应诱导形成水凝胶表面的微凸起结构，以实现三维结构材料表面的仿生微凸起结构制备，从而使得凝胶材料表面具有仿生微凸起结构，进而可能被用于构建仿生组织或器官。
本发明提出的水凝胶表面微凸起结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备第一预聚混合物；
(2)使碳酸钙固体颗粒与步骤(1)的第一预聚混合物混合，使碳酸钙固体颗粒在第一预聚混合物中的质量体积浓度为0.05～0.2克/毫升，搅拌，使碳酸钙固体颗粒与第一预聚混合物充分混合，得到第二预聚混合物；
(3)对步骤(2)的第二预聚混合物使用紫外光源照射0.3～3分钟；或将第二预聚混合物加热至37℃保温1小时；或将第二预聚混合物与凝血酶混合，混合的比例为：第二预聚混合物:凝血酶＝1毫升:0.5U～2U，其中U为酶活力单位；或将第二预聚混合物冷却至20～40摄氏度；或将第二预聚混合物通入摩尔浓度为0.1～0.3摩尔/升的氯化钙溶液中，通过上述方法使第二预聚混合物交联聚合，形成含碳酸钙固体颗粒的第一凝胶材料；
(4)将步骤(3)制备的第一凝胶材料置于10％～40％的盐酸溶液中，快速生成气体，在第一凝胶材料表面形成微凸起结构，得到第二凝胶材料；
(5)将步骤(4)的第二凝胶材料用去离子水反复清洗后，置于真空干燥箱中进行真空除气，得到表面有微凸起结构的凝胶材料。
上述制备方法中，第一预聚混合物的制备方法如下：
当凝胶材料为胶原水凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：在低温(0-4℃)环境中，将胶原原液、磷酸盐缓冲液和氢氧化钠溶液与水的混合得到；胶原原液、磷酸盐缓冲液和氢氧化钠溶液的浓度和混合比例分别按照胶原原液的使用说明书配置，使制备的第一预聚混合物中胶原的终浓度为1毫克/毫升～5毫克/毫升；
或：当凝胶材料为纤维蛋白原水凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：将纤维蛋白原粉末溶解在水中得到，使制备的第一预聚混合物中纤维蛋白原的浓度为1毫克/毫升～5毫克/毫升；
或：当凝胶材料为琼脂糖水凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：在90℃下，使琼脂糖粉末溶解在水中得到，使制备的第一预聚混合物中琼脂糖的质量体积浓度为1％～5％；
或：当凝胶材料为聚乙二醇二丙烯酸酯凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：将聚乙二醇二丙烯酸酯粉末和2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮粉末溶解在水中得到，使配置的第一预聚混合物中，聚乙二醇二丙烯酸酯的质量体积浓度为10％～40％，2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮的质量体积浓度为0.01～0.1克/毫升；
或：当凝胶材料为甲基丙烯酰胺基明胶时，第一预聚混合物的制备方法为：将甲基丙烯酰胺基明胶粉末和2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮粉末溶解在水中得到，使制备的第一预聚混合物中，甲基丙烯酰胺基明胶的质量体积浓度为10％～40％，2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮的质量体积浓度为0.01～0.1克/毫升；
或：当凝胶材料为海藻酸钙水凝胶纤维/微球/块时，第一预聚混合物的制备方法为：将海藻酸钠溶解在水中得到，使制备的第一预聚混合物中，海藻酸钠的质量体积浓度为1％～3％。
本发明提出的水凝胶表面微凸起结构的制备方法，其优点是：
1、本发明提出的水凝胶表面微凸起结构的制备方法，无需复杂昂贵的微加工设备，仅通过气体生成反应即可得到微凸起结构。
2、本发明提出的微凸起结构制备方法，无需繁琐或耗时的操作或步骤，仅需数十秒即可迅速在凝胶材料表面一步得到微凸起结构。
3、本发明提出的微凸起结构制备方法，解决了已有技术中三维材料(如球状、纤维状等)表面微拓扑结构制备困难的问题，丰富了仿生凝胶材料基元的结构。
具体实施方式
本发明提出的水凝胶表面微凸起结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备第一预聚混合物；
(2)使碳酸钙固体颗粒与步骤(1)的第一预聚混合物混合，使碳酸钙固体颗粒在第一预聚混合物中的质量体积浓度为0.05～0.2克/毫升，搅拌，使碳酸钙固体颗粒与第一预聚混合物充分混合，得到第二预聚混合物；
(3)对步骤(2)的第二预聚混合物使用紫外光源照射0.3～3分钟；或将第二预聚混合物加热至37℃保温1小时；或将第二预聚混合物与凝血酶混合，混合的比例为：第二预聚混合物:凝血酶＝1毫升:0.5U～2U，其中U为酶活力单位；或将第二预聚混合物冷却至20～40摄氏度；或将第二预聚混合物通入摩尔浓度为0.1～0.3摩尔/升的氯化钙溶液中，通过上述方法使第二预聚混合物交联聚合，形成含碳酸钙固体颗粒的第一凝胶材料；
(4)将步骤(3)制备的第一凝胶材料置于10％～40％的盐酸溶液中，快速生成气体，在第一凝胶材料表面形成微凸起结构，得到第二凝胶材料；
(5)将步骤(4)的第二凝胶材料用去离子水反复清洗后，置于真空干燥箱中进行真空除气，得到表面有微凸起结构的凝胶材料。
上述制备方法中，第一预聚混合物的制备方法如下：
当凝胶材料为胶原水凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：在低温(0-4℃)环境中，将胶原原液、磷酸盐缓冲液和氢氧化钠溶液与水的混合得到；胶原原液、磷酸盐缓冲液和氢氧化钠溶液的浓度和混合比例分别按照胶原原液的使用说明书配置，使制备的第一预聚混合物中胶原的终浓度为1毫克/毫升～5毫克/毫升；
或：当凝胶材料为纤维蛋白原水凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：将纤维蛋白原粉末溶解在水中得到，使制备的第一预聚混合物中纤维蛋白原的浓度为1毫克/毫升～5毫克/毫升；
或：当凝胶材料为琼脂糖水凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：在90℃下，使琼脂糖粉末溶解在水中得到，使制备的第一预聚混合物中琼脂糖的质量体积浓度为1％～5％；
或：当凝胶材料为聚乙二醇二丙烯酸酯凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：将聚乙二醇二丙烯酸酯粉末和2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮粉末溶解在水中得到，使配置的第一预聚混合物中，聚乙二醇二丙烯酸酯的质量体积浓度为10％～40％，2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮的质量体积浓度为0.01～0.1克/毫升；
或：当凝胶材料为甲基丙烯酰胺基明胶时，第一预聚混合物的制备方法为：将甲基丙烯酰胺基明胶粉末和2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮粉末溶解在水中得到，使制备的第一预聚混合物中，甲基丙烯酰胺基明胶的质量体积浓度为10％～40％，2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮的质量体积浓度为0.01～0.1克/毫升；
或：当凝胶材料为海藻酸钙水凝胶纤维/微球/块时，第一预聚混合物的制备方法为：将海藻酸钠溶解在水中得到，使制备的第一预聚混合物中，海藻酸钠的质量体积浓度为1％～3％。
下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1：
胶原水凝胶表面微凸起结构的制备，其制备方法包括以下步骤：
(1)配置第一预聚混合物：在低温(0-4℃)环境中，将200微升3毫克/毫升胶原原液、30微升磷酸盐缓冲液和5微升摩尔浓度为1摩尔/升的氢氧化钠溶液共同加入65微升水中溶解混合，得到第一预聚混合物；
(2)在低温(0-4℃)环境中，使碳酸钙固体颗粒与步骤(1)的第一预聚混合物混合，使碳酸钙固体颗粒在第一预聚混合物中的质量体积浓度为0.1克/毫升，搅拌，使碳酸钙固体颗粒与第一预聚混合物充分混合，得到第二预聚混合物；
(3)取10微升第二预聚混合物加热至37℃保温1小时，使第二预聚混合物交联聚合，形成含碳酸钙固体颗粒的第一凝胶材料；
(4)将步骤(3)制备的第一凝胶材料置于10％的盐酸溶液中，快速生成气体，在第一凝胶材料表面形成微凸起结构，得到第二凝胶材料；
(5)将步骤(4)的第二凝胶材料用去离子水反复清洗后，置于真空干燥箱中进行真空除气，得到表面有微凸起结构的胶原水凝胶材料。
实施例2：
纤维蛋白原水凝胶表面微凸起结构的制备，其制备方法包括以下步骤：
(1)配置第一预聚混合物：称取2.5毫克纤维蛋白原粉末溶解在1毫升水中，得到第一预聚混合物；
(2)使碳酸钙固体颗粒与步骤(1)的第一预聚混合物混合，使碳酸钙固体颗粒在第一预聚混合物中的质量体积浓度为0.1克/毫升，搅拌，使碳酸钙固体颗粒与第一预聚混合物充分混合，得到第二预聚混合物；
(3)将第二预聚混合物中与0.01毫升浓度为100U/mL的凝血酶溶液混合，其中U为酶活力单位；加热至37℃保温1小时，使第二预聚混合物交联聚合，形成含碳酸钙固体颗粒的第一凝胶材料；
(4)将步骤(3)制备的第一凝胶材料置于10％的盐酸溶液中，快速生成气体，在第一凝胶材料表面形成微凸起结构，得到第二凝胶材料；
(5)将步骤(4)的第二凝胶材料用去离子水反复清洗后，置于真空干燥箱中进行真空除气，得到表面有微凸起结构的纤维蛋白原水凝胶材料。
实施例3：
琼脂糖水凝胶表面微凸起结构的制备，其制备方法包括以下步骤：
(1)配置第一预聚混合物：在90℃下，使1克琼脂糖粉末溶解在100毫升水中,得到第一预聚混合物；
(2)使碳酸钙固体颗粒与步骤(1)的第一预聚混合物混合，使碳酸钙固体颗粒在第一预聚混合物中的质量体积浓度为0.1克/毫升，搅拌，使碳酸钙固体颗粒与第一预聚混合物充分混合，得到第二预聚混合物；
(3)取10微升第二预聚混合物冷却至室温，使第二预聚混合物交联聚合，形成含碳酸钙固体颗粒的第一凝胶材料；
(4)将步骤(3)制备的第一凝胶材料置于10％的盐酸溶液中，快速生成气体，在第一凝胶材料表面形成微凸起结构，得到第二凝胶材料；
(5)将步骤(4)的第二凝胶材料用去离子水反复清洗后，置于真空干燥箱中进行真空除气，得到表面有微凸起结构的琼脂糖水凝胶材料。
实施例4：
聚乙二醇二丙烯酸酯水凝胶表面微凸起结构的制备，其制备方法包括以下步骤：
(1)配置第一预聚混合物：将15克聚乙二醇二丙烯酸酯和0.5克2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解在100毫升水中，得到第一预聚混合物；
(2)使碳酸钙固体颗粒与步骤(1)的第一预聚混合物混合，使碳酸钙固体颗粒在第一预聚混合物中的质量体积浓度为0.1克/毫升，搅拌，使碳酸钙固体颗粒与第一预聚混合物充分混合，得到第二预聚混合物；
(3)取10微升步骤(2)的第二预聚混合物，使用紫外光源照射1分钟，使第二预聚混合物交联聚合，形成含碳酸钙固体颗粒的第一凝胶材料；
(4)将步骤(3)制备的第一凝胶材料置于10％的盐酸溶液中，快速生成气体，在第一凝胶材料表面形成微凸起结构，得到第二凝胶材料；
(5)将步骤(4)的第二凝胶材料用去离子水反复清洗后，置于真空干燥箱中进行真空除气，得到表面有微凸起结构的聚乙二醇二丙烯酸酯水凝胶材料。
实施例5：
甲基丙烯酰胺基明胶水凝胶表面微凸起结构的制备，其制备方法包括以下步骤：
(1)配置第一预聚混合物：将15克甲基丙烯酰胺基明胶和0.1克2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶解在100毫升水中，得到第一预聚混合物；
(2)使碳酸钙固体颗粒与步骤(1)的第一预聚混合物混合，使碳酸钙固体颗粒在第一预聚混合物中的质量体积浓度为0.1克/毫升，搅拌，使碳酸钙固体颗粒与第一预聚混合物充分混合，得到第二预聚混合物；
(3)取10微升步骤(2)的第二预聚混合物，使用紫外光源照射1分钟，使第二预聚混合物交联聚合，形成含碳酸钙固体颗粒的第一凝胶材料；
(4)将步骤(3)制备的第一凝胶材料置于10％的盐酸溶液中，快速生成气体，在第一凝胶材料表面形成微凸起结构，得到第二凝胶材料；
(5)将步骤(4)的第二凝胶材料用去离子水反复清洗后，置于真空干燥箱中进行真空除气，得到表面有微凸起结构的甲基丙烯酰胺基明胶水凝胶材料。
实施例6：
海藻酸钙水凝胶纤维表面微凸起结构的制备，其制备方法包括以下步骤：
(1)配置第一预聚混合物：将1克海藻酸钠固体溶解在100毫升水中，得到第一预聚混合物；
(2)使碳酸钙固体颗粒与步骤(1)的第一预聚混合物混合，使碳酸钙固体颗粒在第一预聚混合物中的质量体积浓度为0.1克/毫升，搅拌，使碳酸钙固体颗粒与第一预聚混合物充分混合，得到第二预聚混合物；
(3)将步骤(2)的含碳酸钙固体颗粒的海藻酸钠溶液吸入1毫升注射器中，注射器与25G点胶针头连接后，注射器置于蠕动泵上，设置流速为200微升每分钟，开启蠕动泵，将点胶针头出口插入摩尔浓度为0.1摩尔/升氯化钙溶液中，使第二预聚混合物在氯化钙溶液中交联聚合，生成第一凝胶材料——含碳酸钙固体颗粒的海藻酸钙凝胶纤维。
(4)将步骤(3)制备的第一凝胶材料置于10％的盐酸溶液中，快速生成气体，在第一凝胶材料表面形成微凸起结构，得到第二凝胶材料；
(5)将步骤(4)的第二凝胶材料用去离子水反复清洗后，置于真空干燥箱中进行真空除气，得到表面有微凸起结构的海藻酸钙凝胶纤维。
实施例7：
海藻酸钙水凝胶微球表面微凸起结构的制备，其制备方法包括以下步骤：
(1)配置第一预聚混合物：将1克海藻酸钠固体溶解在100毫升水中，得到第一预聚混合物；
(2)使碳酸钙固体颗粒与步骤(1)的第一预聚混合物混合，使碳酸钙固体颗粒在第一预聚混合物中的质量体积浓度为0.1克/毫升，搅拌，使碳酸钙固体颗粒与第一预聚混合物充分混合，得到第二预聚混合物；
(3)将步骤(2)的含碳酸钙固体颗粒的海藻酸钠溶液吸入1毫升注射器中，注射器与25G点胶针头连接后，注射器置于蠕动泵上，设置流速为200微升每分钟，开启蠕动泵，在点胶针头出口下方放置一个氯化钙溶液池，从出口流出的第二预聚混合物逐一滴入氯化钙溶液池中；第二预聚混合物在氯化钙溶液中交联聚合，生成第一凝胶材料——含碳酸钙固体颗粒的海藻酸钙凝胶微球。
(4)将步骤(3)制备的第一凝胶材料置于10％的盐酸溶液中，快速生成气体，在第一凝胶材料表面形成微凸起结构，得到第二凝胶材料；
(5)将步骤(4)的第二凝胶材料用去离子水反复清洗后，置于真空干燥箱中进行真空除气，得到表面有微凸起结构的海藻酸钙凝胶微球。

Claims (1)

1.一种水凝胶表面微凸起结构的制备方法，制备得到的凝胶材料为胶原水凝胶、纤维蛋白原水凝胶、琼脂糖水凝胶、聚乙二醇二丙烯酸酯凝胶、甲基丙烯酰胺基明胶或海藻酸钙水凝胶纤维/微球/块中的一种，其特征在于该制备方法包括以下步骤：
(1)制备第一预聚混合物，制备第一预聚混合物的方法如下：
当凝胶材料为胶原水凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：在低温0-4℃环境中，将胶原原液、磷酸盐缓冲液和氢氧化钠溶液与水混合得到；胶原原液、磷酸盐缓冲液和氢氧化钠溶液的浓度和混合比例分别按照胶原原液的使用说明书配置，使制备的第一预聚混合物中胶原的终浓度为1毫克/毫升～5毫克/毫升；
或：当凝胶材料为纤维蛋白原水凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：将纤维蛋白原粉末溶解在水中得到，使制备的第一预聚混合物中纤维蛋白原的浓度为1毫克/毫升～5毫克/毫升；
或：当凝胶材料为琼脂糖水凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：在90℃下，使琼脂糖粉末溶解在水中得到，使制备的第一预聚混合物中琼脂糖的质量体积浓度为1％～5％；
或：当凝胶材料为聚乙二醇二丙烯酸酯凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：将聚乙二醇二丙烯酸酯粉末和2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮粉末溶解在水中得到，使配置的第一预聚混合物中，聚乙二醇二丙烯酸酯的质量体积浓度为10％～40％，2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮的质量体积浓度为0.01～0.1克/毫升；
或：当凝胶材料为甲基丙烯酰胺基明胶时，第一预聚混合物的制备方法为：将甲基丙烯酰胺基明胶粉末和2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮粉末溶解在水中得到，使制备的第一预聚混合物中，甲基丙烯酰胺基明胶的质量体积浓度为10％～40％，2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮的质量体积浓度为0.01～0.1克/毫升；
或：当凝胶材料为海藻酸钙水凝胶纤维/微球/块时，第一预聚混合物的制备方法为：将海藻酸钠溶解在水中得到，使制备的第一预聚混合物中，海藻酸钠的质量体积浓度为1％～3％；
(2)使碳酸钙固体颗粒与步骤(1)的第一预聚混合物混合，使碳酸钙固体颗粒在第一预聚混合物中的质量体积浓度为0.05～0.2克/毫升，搅拌，使碳酸钙固体颗粒与第一预聚混合物充分混合，得到第二预聚混合物；
(3)对步骤(2)的第二预聚混合物使用紫外光源照射0.3～3分钟；或将第二预聚混合物加热至37℃保温1小时；或将第二预聚混合物与凝血酶混合，混合的比例为：第二预聚混合物:凝血酶＝1毫升:0.5U～2U，其中U为酶活力单位；或将第二预聚混合物冷却至20～40摄氏度；或将第二预聚混合物通入摩尔浓度为0.1～0.3摩尔/升的氯化钙溶液中，通过上述方法使第二预聚混合物交联聚合，形成含碳酸钙固体颗粒的第一凝胶材料；
(4)将步骤(3)制备的第一凝胶材料置于10％～40％的盐酸溶液中，快速生成气体，在第一凝胶材料表面形成微凸起结构，得到第二凝胶材料；
(5)将步骤(4)的第二凝胶材料用去离子水反复清洗后，置于真空干燥箱中进行真空除气，得到表面有微凸起结构的凝胶材料。
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