CN110464506B - 可以原位导入药物的电子血管、其制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种一种可以原位导入药物的电子血管，其制备方法及应用。所述电子血管为多层的三维血管形态，所述电子包括：柔性可拉伸导电线路和图案化于所述柔性可拉伸线路表面的血管细胞。成功制备包含导电线路的柔性电子血管，用于血管基因治疗、药物导入等；该电子血管生物相容性好，无明显毒性；方法步骤简便，易于操作，无需特殊仪器即可进行制备，并用于大规模制备功能性柔性线路。该电子血管可以实现基因、蛋白质等药物的原位导入，用于组织工程、生物传感、光电材料等领域。

Description

可以原位导入药物的电子血管、其制备方法及应用

技术领域

本发明属于电子电路领域，具体涉及一种可以原位导入药物的电子血管，及其制备方法和应用。

背景技术

随着生物科技发展，可穿戴设备及植入式柔性电子器件等得到很大的发展，但真正用于人体的可穿戴或植入设备受到了极大的技术局限。究其原因，现有的柔性电路，尤其是与细胞或组织直接接触作用的电路，不能提供足够好的生物(细胞/组织)相容性，导致其植入体内后由于局部环境恶化导致不能正常作用或对原有功能造成性能破坏。

本发明人在此前的工作中提出了一种柔性可拉伸导电线路及电路的制备方法与用途。该方法实质是即一种简单方便且万能的液态金属图案化技术。即可在各种各样的基底上简单快速地实现液态金属的图案化。该制备方法简便、快速且液态金属用量少，不需要额外的外力，且图案不产生裂纹，线宽可控，具有很高的分辨率，适于大规模生产。按照该方法制备的线路具有极好的柔性和可拉伸性能，且适用于各种线宽的电路(线宽最小能到1微米)。并且铟镓这两种液态金属元素的化合物有多种本身也是常用的高性能半导体材料，所以该制备方法可以延伸到各种半导体的制备。在进一步的工作中对上述柔性线路进行了改进，即对电路表面进行多种表面修饰，并用于开展相关生物应用。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种可以原位导入药物的电子血管，及其制备方法和应用。

在阐述本发明内容之前，定义本文中所使用的术语如下：

术语“PLCL”是指：聚L-丙交酯-己内酯。

术语“PCL”是指：聚己内酯。

术语“PLGA”是指：聚乳酸-羟基乙酸共聚物。

术语“PGS”是指：聚癸二酸甘油酯。

术语“PPDO”是指：聚对二氧环己酮。

术语“PDMS”是指：聚二甲基硅氧烷。

术语“PGCL”是指：聚羟基乙酸-己内酯。

术语“PLA”是指：聚乳酸。

术语“PGA”是指：聚羟基乙酸。

术语“Collagen”是指：胶原蛋白。

术语“Chitosan”是指：几丁聚糖。

术语“Gelatin”是指：明胶。

术语“PVA”是指：聚乙烯醇。

术语“Smooth-on Ecoflex系列”是指：美国smooth-on公司开发并出售的一系列硅橡胶，包括Ecoflex 0010、Ecoflex 0020、Ecoflex 0030、Ecoflex 0050等。固化后超级柔软、强韧、弹性极佳，不收缩。

术语“高分子”是指：相对分子质量高于10000的分子。

术语“原始图案层”是指：利用液态金属颗粒在其上图案化的一层。

术语“剥离层”是指：浇注在原始图案层的高分子固化后并能揭下的一层。

术语“柔性”是指：材料具有弯折的性能。

术语“弹性”是指：材料既具有拉伸性能，又具有弯折性能。

本发明的目的是利用上述柔性线路，进行特定的线路图案设计，利用不同的高分子材料，可以制备出包含柔性导电线路的、生物相容性良好的芯片，通过种植内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞，待成功实现细胞图案化之后，再由二维薄膜向三维转化，可以得到三维多层结构的电子血管。通过施加一定电压，可以对表面的细胞或组织进行药物(基因、蛋白质等)的原位导入。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种可以原位导入药物的电子血管，所述电子血管为多层的三维血管形态，所述电子血管包括：柔性可拉伸导电线路和图案化于所述柔性可拉伸线路表面的血管细胞。

根据本发明第一方面的电子血管，其中，所述柔性可拉伸电路包括：弹性或柔性基底，在所述基底上由纳米级或微米级液态金属颗粒汇聚而成的互联导线，以及用于制备该导电线路的原始图案层和剥离层；所述原始图案层选自任何材料，用于图案化液态金属颗粒；所述剥离层选自以下一种或多种生物相容性好的材料：PLCL，PCL,PLGA，PGS，PPDO，PDMS，Eco-flex，PLA,PGA,PGCL,Collagen,Chitosan,Gelatin,PVA等，用于使得图案导电。

优选地，所述液态金属选自以下一种或多种：镓、汞、镓铟合金、镓铟锡合金、铋锡铅铟合金。

根据本发明第一方面的电子血管，其中，所述电子血管从内到外依次包括：内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞。

本发明的第二方面提供了第一方面所述的电子血管的制备方法，该制备方法可以包括以下步骤：

(1)制备柔性可拉伸导电线路；

(2)将血管细胞图案化于步骤(1)制备的柔性可拉伸导电线路的表面；

(3)将步骤(2)得到的二维图案化薄膜向三维血管转化；

(4)对步骤(3)得到的三维血管进行体外培养。

根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述步骤(1)中柔性可拉伸导电线路的制备方法包括以下步骤：

(a)在挥发性液体中将液态金属制备成纳米级或微米级的金属颗粒；

(b)在原始图案层上将步骤(1)制得的金属颗粒绘制成图案；

(c)在所述图案上浇注高分子溶液，以形成剥离层；

(d)剥离所述剥离层，得到柔性可拉伸导电线路。

优选地，所述挥发性液体选自以下一种或多种：乙醇、正辛醇、正壬醇、正癸醇、N-甲基吡咯烷酮、二元酸酯混合物(DBE溶剂)，二甲基甲酰胺、二丙酮醇、1，3-二甲基－咪唑啉酮、二甲基亚砜、二乙二醇单丁醚、二乙二醇乙酸酯、乙二醇碳酸酯、丙二醇碳酸酯、1,4-丁内酯。

所述高分子选自以下一种或多种：聚己内酯-聚乳酸共聚物、聚己内酯、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚二甲基硅氧烷、Smooth-on系列材料、PGS，PPDO，PLA,PGA,PGCL,Collagen,Chitosan,Gelatin,PVA。

本发明的第三方面提供了第一方面所述的电子血管原位导入药物的方法，通过施加电压，对表面的细胞或组织进行药物的原位导入。

本发明的第四方面提供了第一方面所述的电子血管在制备血管基因治疗材料、药物导入材料、组织工程、生物传感、光电材料中的应用。

本发明的第五方面提供了一种人工血管，所述人工血管包括：

根据第一方面所述的电子血管；和/或

根据第二方面所述方法制备的电子血管。

本发明主要利用表面化学技术与微流控技术，通过图案设计，对基于液态金属与高分子的柔性电路进行表面修饰后，柔性芯片上接种细胞后，加入药物(基因、蛋白质等)，并从二维薄膜状态转换为三维血管的多层结构。通过施加电压，能够成功将药物(基因、蛋白质等)原位导入血管细胞或组织内，并实现相关功能。

首先，制备柔性可拉伸电路。具体地，利用液态金属(主要包括：镓、镓铟合金、镓铟锡合金等低熔点的金属)与挥发性液体(主要是指低沸点溶剂如室温下为液态的醇类物质、酮类物质或醚类物质等)混合超声，制备具有核壳结构的液态金属颗粒。使用以上制备的液态金属颗粒，在选用的原始图案层材料上采用丝网印刷、喷墨打印、微流沟道填充的方法绘制上图案。待液态金属颗粒中的液体全部挥发后，留下液态金属颗粒组成的图案，在图案上浇注上高分子溶液，如不同比例的PLC(聚己内酯-聚乳酸共聚物)、PCL(聚己内酯)、PLGA(聚乳酸-乙醇酸共聚物)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、Smooth-on系列材料等，从而形成剥离层。液态的高分子能够部分渗入堆叠的液态金属颗粒的缝隙中，形成多孔的结构。剥离层的厚度由甩胶机甩胶的转速和时间决定。待弹性预聚体凝固后或高分子溶剂挥发后，小心将高分子膜从基底上剥离，剥离步骤能够使得液态金属交联，赋予图案极好的导电性。根据原始图案层与剥离层的亲和(附着)力的不同，原始图案层与剥离层上所形成的图案所含液态金属的量也不同。本发明人大规模制备了形状、厚度可任意调控的柔性，可变形，拉伸性好的线路用于制备血管。

通过设计微流控芯片，本发明人可以成功将三种血管细胞依照内皮细胞，平滑肌细胞，成纤维细胞的顺序，成功地图案化于该柔性线路的表面，最终通过切割预拉伸薄膜，自卷曲为多层的三维血管形态。

本发明人将GFP质粒DNA溶液以滴加在细胞表面，并接种了三种细胞的电子血管，接入了电穿孔系统(美国BTX ECM630)，用电脉冲进行了电刺激。然后，将该电子血管继续在用培养基正常培养3天后，用共聚焦显微镜进行观察，成功观察到绿色荧光蛋白的表达。

本发明人将该电子血管进行了兔子颈动脉置换术，放置一个月后，取出观察，血管仍保持通畅；并对主要脏器进行了切片观察，没有明显的炎症或其他异常反应。

本发明的可以原位导入药物的电子血管可以具有但不限于以下有益效果：

1、成功制备包含导电线路的柔性电子血管，用于血管基因治疗、药物导入等；

2、用于制备电子血管的主要基质材料有多种选择，如PLCL，PCL,PLGA，PGS，PPDO，PDMS，Eco-flex等绝大部分生物相容性好的生物材料；

3、该电子血管生物相容性好，无明显毒性；

4、该方法步骤简便，易于操作，无需特殊仪器即可进行制备，并用于大规模制备功能性柔性线路。

5、该电子血管可以实现基因、蛋白质等药物的原位导入，用于组织工程、生物传感、光电材料等领域。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1示出了本发明实施例1柔性可拉伸导电线路的制备方法。

图2示出了根据本发明实施例1方法制备的形状厚度可任意调控的柔性可变形拉伸性好的线路。

图3示出了本发明实施例2中三维电子血管的制备方法。

图4示出了本发明实施例2制备的电子血管的细胞活性图。

图5示出了本发明试验例1中对电子血管进行电刺激的实验图。

图6示出了本发明试验例1中对电子血管共聚焦显微镜观察结果。

图7示出了本发明试验例2中使用电子血管进行兔子颈动脉置换术的示意图。

图8示出了本发明试验例2中对兔子主要脏器的切片观察结果。

图9示出了本发明试验例3中绿色荧光蛋白GFP表达结果。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。

以下实施例中使用的试剂和仪器如下：

试剂与材料：

DMEM(10％FBS)培养基，购自美国life technologies公司；

内皮细胞，平滑肌细胞，成纤维细胞，购自美国ScienCell公司；

GFP质粒DNA溶液，购自广州市锐博生物科技有限公司。

仪器：

电穿孔系统，购自美国BTX公司、型号ECM630；

共聚焦显微镜，购自德国蔡司、型号LSM760。

实施例1

本实施例用于说明使用本发明方法制备的柔性可拉伸导电线路。

将1g液态铟镓共熔合金(EGaIn Ga 75.5％wt In 24.5％wt)置于1毫升正辛醇与丙三醇的混合溶液(体积比辛醇：丙三醇＝80:20)中，用超声波细胞破碎仪在30％的幅度下超声60s，得到灰色的液态金属的悬浊液，金属被分散成为无数微纳尺寸的小颗粒，小颗粒的平均粒径为1500nm。小颗粒的内核为液态的金属，外部被一层薄薄的氧化膜包裹。选用PET为原始图案层，使用丝网印刷技术在PET薄膜上绘制图案，待液态金属颗粒中的液体全部挥发后，留下液态金属颗粒组成的图案。将图案置于烘箱中80摄氏度烘干30min。将PLCL溶液浇注至图案上方，溶剂为二氯甲烷，质量浓度5％，在真空烘箱中脱气泡2min。然后置于通风橱放置30min，再在50摄氏度烘箱中放置30min。当溶剂挥发后，小心将PLCL从原始图案层上剥离下来。这样，液态金属构成的图案便转移到PLCL上，且具有了良好的导电能力,得到柔性可拉伸导电线路。本发明人利用如图1所示的方法大规模制备了如图2所示的形状、厚度可任意调控的柔性，可变形，拉伸性好的线路用于制备血管。

实施例2

本实施例用于说明本发明电子血管的制备方法。

如图3所示，通过设计微流控芯片，本发明人可以成功将三种血管细胞依照内皮细胞，平滑肌细胞，成纤维细胞的顺序，成功地图案化于实施例1制备的柔性可拉伸导电线路的表面，最终通过切割预拉伸薄膜，自卷曲为多层的三维血管形态。具体来讲，首先将三通道微流控芯片贴紧在PLCL膜的上方，每个通道中加入1ml浓度为50ug/ml的Fibronectin溶液，在37℃，5％CO₂孵育箱中孵育6小时后取出，吸去通道中的液体，依次加入1ml三种细胞悬浊液，在37℃，5％CO₂孵育箱中孵育过夜，细胞能够获得很好的粘附；而后弃去培养基与三通道微流控芯片，从内皮细胞一侧切割预拉伸薄膜，自卷曲为多层三维血管，随后加入全新的培养基，用DMEM(10％FBS)培养基培养7天后，三种细胞拥有非常好的活性(图4)。

试验例1

本发明人将200ulGFP质粒DNA溶液以40ug/ml的浓度滴加在细胞表面，并接种了三种细胞的电子血管，接入了电穿孔系统(美国BTX ECM630)，用60V，100us的电脉冲进行了3次电刺激(图5)。然后，将该电子血管继续在37℃，5％CO₂孵育箱中用DMEM(10％FBS)培养基正常培养3天后，用共聚焦显微镜进行观察，成功观察到绿色荧光蛋白的表达(图6)。

试验例2

本发明人将根据本发明实施例2制备的电子血管进行了兔子颈动脉置换术，电子血管内径2mm，长度为2cm，厚度为150um左右，如图7所示，放置一个月后，取出观察，血管仍保持通畅；并对主要脏器进行了切片观察，没有明显的炎症或其他异常反应，如图8所示。

试验例3

本发明人将本发明的电子血管进行兔子颈动脉置换术，多层血管表面有预冻干的绿色荧光蛋白GFP的质粒DNA，2周后，利用引出的导线连接到电穿孔系统上，对体内的电子血管进行电脉冲刺激，电压为50v，脉冲时间为1ms，间隔为1s，次数为6次。2周后，进行取材，将血管打开后，对细胞核(蓝色)与细胞质(红色)进行染色，用共聚焦显微镜进行观察，发现有绿色荧光蛋白GFP表达，如图9所示。

尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

Claims (10)

1.一种可以原位导入药物的电子血管，其特征在于，所述电子血管为多层的三维血管形态，所述电子血管包括：柔性可拉伸导电线路和图案化于所述柔性可拉伸导电线路表面的血管细胞；

所述柔性可拉伸导电线路包括：弹性或柔性基底，在所述基底上由纳米级或微米级液态金属颗粒汇聚而成的互联导线，以及用于制备该导电线路的原始图案层和剥离层；所述原始图案层选自任何材料，用于图案化液态金属颗粒；所述剥离层选自以下一种或多种生物相容性好的材料：PLCL，PCL,PLGA，PGS，PPDO，PDMS，Eco-flex，PLA,PGA,PGCL,Collagen,Chitosan,Gelatin,PVA，用于使得图案导电；

所述柔性可拉伸导电线路的制备方法包括以下步骤：

(a)在挥发性液体中将液态金属制备成纳米级或微米级的金属颗粒；

(b)在原始图案层上将制得的金属颗粒绘制成图案；

(c)在所述图案上浇注高分子溶液，以形成剥离层；

(d)剥离所述剥离层，得到柔性可拉伸导电线路。

2.根据权利要求1所述的电子血管，其特征在于，所述剥离层的生物相容性好的材料为PLCL。

3.根据权利要求1所述的电子血管，其特征在于，所述液态金属选自以下一种或多种：镓、汞、镓铟合金、镓铟锡合金、铋锡铅铟合金。

4.根据权利要求3所述的电子血管，其特征在于，所述液态金属为镓铟合金。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电子血管，其特征在于，所述电子血管从内到外依次包括：内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电子血管的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)制备柔性可拉伸导电线路；

(2)将血管细胞图案化于步骤(1)制备的柔性可拉伸导电线路的表面；

(3)将步骤(2)得到的二维图案化薄膜向三维血管转化；

(4)对步骤(3)得到的三维血管进行体外培养。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述挥发性液体选自以下一种或多种：乙醇、正辛醇、正壬醇、正癸醇、N-甲基吡咯烷酮、二元酸酯混合物(DBE溶剂)，二甲基甲酰胺、二丙酮醇、1，3-二甲基－咪唑啉酮、二甲基亚砜、二乙二醇单丁醚、二乙二醇乙酸酯、乙二醇碳酸酯、丙二醇碳酸酯、1,4-丁内酯，和/或，所述高分子选自以下一种或多种：PLCL，PCL,PLGA，PGS，PPDO，PDMS，Eco-flex，PLA,PGA,PGCL,Collagen,Chitosan,Gelatin,PVA。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的电子血管原位导入药物的方法，其特征在于，通过施加电压，对表面的细胞或组织进行药物的原位导入。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的电子血管在制备血管基因治疗材料、药物导入材料、组织工程、生物传感、光电材料中的应用。

10.一种人工血管，其特征在于，所述人工血管包括：

根据权利要求1至5中任一项所述的电子血管；和/或

根据权利要求6或7所述方法制备的电子血管。