CN111053948A - 基于柔性模具毛细折叠技术的微凝胶支架的制造方法 - Google Patents

基于柔性模具毛细折叠技术的微凝胶支架的制造方法 Download PDF

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Abstract

一种基于柔性模具毛细折叠技术的微凝胶支架的制造方法，先进行柔性模具的设计，然后进行柔性模具的制备，再进行微凝胶支架的制备，将柔性模具的抓取结构接触水凝胶液面，则水凝胶会润湿抓取结构表面，在接触线位置自动产生毛细力；随后将柔性模具逐渐拉离水凝胶液面，在毛细力作用下，抓取结构逐渐弯曲变形直至最终闭合，形成的腔体将水凝胶包裹其中，然后将水凝胶进行交联固化；最后进行微凝胶支架的脱模，将柔性模具连同水凝胶浸入水中，则水分子浸润抓取结构和水凝胶的界面并破坏两者间的结合力，抓取结构自动张开，水凝胶自动脱落；本发明可实现不同形貌的微米尺度水凝胶支架的可控制造。

Description

基于柔性模具毛细折叠技术的微凝胶支架的制造方法
技术领域
本发明属于生物制造技术领域，具体涉及一种基于柔性模具毛细折叠技术的微凝胶支架的制造方法。
背景技术
微米尺度生物支架是在体外进行细胞三维培养、构建三维组织模型的重要工具，其主要功能是为细胞提供形状约束并引导其生长成特定形态，同时起到机械支撑作用。采用微米尺度生物支架(通常为几百微米)进行细胞培养，可在体外模拟人体器官单元的基本功能。其优势在于成形的微组织尺寸较小，依靠扩散作用就可实现营养的传输和代谢产物的排出。当前微米尺度生物支架最常用的材料是水凝胶(即微凝胶支架)，水凝胶材料的主要优点是生物相容性好有利于细胞黏附；同时水凝胶具有合适的孔径和孔隙率，利于营养成分的运输和代谢产物的排出。水凝胶通常为液态，采用光照、温度或者化学交联后水凝胶相变为固态，将细胞培养在微凝胶支架多孔网络中从而形成人工生物组织。
采用生物支架进行细胞体外培养时，支架形貌对细胞的功能有着重要影响。荷兰内梅亨大学Wilhelm Huck教授课题组以人骨髓间充质干细胞为例，比较了不同形状的生物支架对细胞生长分化的影响，发现三角形支架培养的细胞中肌球蛋白含量较高，具有较强的细胞收缩力和迁移能力；圆形支架培养的细胞分化为脂肪细胞的比例较高，而长条形支架则诱导细胞分化为成骨细胞。因此制备不同形貌的生物支架具有重要的意义。目前微凝胶支架的制备方法主要有微流控法、光刻法以及模具法。但这些方法难以调控支架的形貌，如微流控技术只能制备球形或近似球形的支架，光刻法和传统模具法则只能制备柱状结构(柱状体的截面形状可调)的支架，难以成形三维形貌的微凝胶支架。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于柔性模具毛细折叠技术的微凝胶支架的制造方法，能够成形三维形貌的微凝胶生物支架。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于柔性模具毛细折叠技术的微凝胶支架的制造方法，包括以下步骤：
步骤1)柔性模具的设计：为了制备不同形貌的水凝胶支架，运用拓扑学知识优化设计柔性模具的形状，所述的柔性模具包括柔性基体，柔性基体的一侧设有周期性的抓取结构；将拟制备微凝胶的外表面展开到二维平面即为抓取结构的形状；
步骤2)柔性模具的制备：采用双重曝光光刻法制备柔性模具，在硅片或玻璃上旋涂第一层光刻胶并进行曝光，后旋涂第二层光刻胶进行二次曝光；随后采用显影液进行显影，将柔性材料倒入光刻胶模具中，待柔性材料固化后，将光刻胶去除得到柔性模具；
步骤3)水凝胶支架的制备：配制水凝胶，将柔性模具的抓取结构接触水凝胶液面，则水凝胶会润湿抓取结构表面，在接触线位置自动产生毛细力；随后将柔性模具逐渐拉离水凝胶液面，在毛细力作用下，抓取结构逐渐弯曲变形直至最终闭合，形成的腔体将水凝胶包裹其中，最后将水凝胶进行交联固化；
步骤4)水凝胶支架的脱模：将柔性模具连同水凝胶浸入水中，则水分子浸润抓取结构和水凝胶的界面并破坏两者间的结合力，抓取结构自动张开，水凝胶自动脱落，将其收集后即得到微凝胶支架。
所述的抓取结构的形状包括三角形、十字形、花瓣形、矩形以及四角星形，对应制备的微凝胶支架分别为四面体、正方体、球形、圆柱形以及五面体结构。
所述的柔性模具制备方法为双重曝光光刻法，即采用两层光刻胶、两次曝光。
所述的柔性材料为PDMS。
所述的水凝胶为光固化水凝胶或温度交联型水凝胶；交联固化方式为紫外光照射或温度交联。
本发明的有益效果为：
本发明采用柔性材料制备二维平面薄膜作为柔性模具的抓取结构，利用液体的毛细力驱动二维平面抓取结构弯曲折叠形成三维腔体，并在折叠过程中同步实现水凝胶的填充；待水凝胶交联固化后，将抓取结构浸入水中，实现水凝胶和抓取结构的脱离。本发明基于柔性模具毛细折叠技术，通过改变柔性模具的抓取结构的形状，可制备出不同形貌的微凝胶支架，可用于组织工程、细胞培养等领域。
附图说明
图1-1为本发明制备柔性模具的第一次曝光示意图；图1-2为本发明制备柔性模具的二次曝光示意图；图1-3为本发明制备柔性模具的显影示意图；图1-4为本发明中将柔性材料倒入光刻胶模具的示意图；图1-5为本发明中去除光刻胶制备柔性模具的示意图。
图2-1为本发明中柔性模具接触水凝胶液面的示意图；图2-2为本发明中柔性模具抓取水凝胶的示意图；图2-3为本发明中水凝胶交联固化的示意图。
图3为本发明中微凝胶支架的自动脱模过程示意图。
图4为本发明中柔性模具抓取结构的形状与微凝胶支架形貌的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
一种基于柔性模具毛细折叠技术的微凝胶支架的制造方法，包括以下步骤：
1)柔性模具的设计：为了制备不同形貌的微凝胶支架，运用拓扑学知识优化设计柔性模具的形状，所述的柔性模具包括柔性基体，柔性基体的一侧设有周期性的抓取结构；将设计的微凝胶支架的外表面展开到二维平面即为柔性模具的形状；
2)柔性模具的制备：
2.1)在硅片或玻璃片1上旋涂第一层光刻胶2，其厚度h1为微米尺度，然后在热板上前烘；通过顶部紫外光4透过第一掩模版3实施曝光，掩模版3为周期性结构，每个周期中透光区域w1以及不透光区域w2均为微米级别，如图1-1所示；
2.2)旋涂第二层光刻胶5，光刻胶厚度h2为微米级别，前烘后顶部紫外光4透过第二掩模版6进行第二次曝光，未曝光区域宽度w3，曝光区域的宽度w4，均为微米级别，如图1-2所示；
2.3)采用显影液对光刻胶进行显影，得到光刻胶模具，如图1-3所示；
2.4)将柔性材料(如PDMS)倒入光刻胶模具中，柔性材料的厚度h3为微米级别，在真空烘箱中抽真空并加热使柔性材料固化，如图1-4所示；
2.5)将光刻胶去除，即制备得到柔性模具7，柔性模具7包括柔性基底701，柔性基底701的一侧设有周期性的抓取结构702，如图1-5所示；
步骤3)微凝胶支架的制备：配制水凝胶，将柔性模具7的抓取结构702紧贴水凝胶8的液面，确保两者接触，抓取结构702和柔性基底701连接处宽度w5以及高度h3、抓取结构702的宽度w6、抓取结构702之间最大宽度w7，最小宽度w8为微米级别，如图2-1所示；随后将柔性模具7向上提拉，则柔性模具7的抓取结构702在毛细力作用下产生弯曲变形，直至完全折叠形成封闭三维腔体9，并将水凝胶8包裹其中，水凝胶8颗粒高h4、宽w9为微米尺度，如图2-2所示；根据水凝胶8不同类型进行紫外光4或温度交联，如图2-3所示；
步骤4)微凝胶支架的脱模：水凝胶8交联固化后，将柔性模具7连同水凝胶8浸入水10中，则水分子浸润水凝胶8和柔性模具7的抓取结构702界面，消除了两者的界面结合力，进而实现微凝胶支架11的自动脱模，如图3所示。
所述的微凝胶支架11的形貌取决于柔性模具7的抓取结构702的形状，通过制备不同形状的抓取结构702，可得到不同形貌的微凝胶支架11。例如，抓取结构702可以为三角形柔性模具12、四角星形柔性模具14、十字形柔性模具16、矩形柔性模具18以及花瓣形柔性模具20，可制备的微凝胶支架11为四面体微凝胶支架13、五面体支架15、六面体支架17、圆柱形支架19和球形支架21，如图4所示。制备的微凝胶支架可用于细胞的体外培养，不同形状的支架培养的细胞具有不同的分化能力和生物学功能。
本发明提出了一种基于柔性模具的毛细折叠技术，采用表面张力驱动柔性模具的抓取结构弯曲变形，实现柔性模具的折叠闭合及水凝胶的填充，并将水凝胶交联固化，随后将柔性模具浸入水中，实现水凝胶的脱模。本发明可用于微凝胶支架的制造，通过制备不同形状的柔性模具能够成形不同形貌的微凝胶支架。

Claims (5)

1.一种基于柔性模具毛细折叠技术的微凝胶支架的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)柔性模具的设计：为了制备不同形貌的微凝胶支架，运用拓扑学知识优化设计柔性模具的形状，所述的柔性模具包括柔性基体，柔性基体的一侧设有周期性的抓取结构；将拟制备的水凝胶支架的外表面展开到二维平面即为柔性模具的形状；
步骤2)柔性模具的制备：采用双重曝光光刻法制备柔性模具，在硅片或玻璃上旋涂第一层光刻胶并进行曝光，后旋涂第二层光刻胶进行二次曝光；随后采用显影液进行显影，将柔性材料倒入光刻胶模具中，待柔性材料固化后，将光刻胶去除得到柔性模具；
步骤3)微凝胶支架的制备：配制水凝胶，将柔性模具的抓取结构接触水凝胶液面，则水凝胶会润湿抓取结构表面，在接触线位置自动产生毛细力；随后将柔性模具逐渐拉离水凝胶液面，在毛细力作用下，抓取结构逐渐弯曲变形直至最终闭合，形成的腔体将水凝胶包裹其中，最后将水凝胶进行交联固化；
步骤4)微凝胶支架的脱模：将柔性模具连同水凝胶浸入水中，则水分子浸润抓取结构和水凝胶的界面并破坏两者间的结合力，抓取结构自动张开，水凝胶自动脱落，将其收集后即得到微凝胶支架。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性模具毛细折叠技术的微凝胶支架的制造方法，其特征在于：所述的抓取结构的形状包括三角形、十字形、花瓣形、矩形以及四角星形，对应制备的微凝胶支架为四面体、正方体、球形、圆柱形以及五面体的微凝胶支架。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性模具毛细折叠技术的微凝胶支架的制造方法，其特征在于：所述的柔性模具制备方法为双重曝光光刻法，即采用两层光刻胶、两次曝光。
4.根据权利要求1所述的一种基于柔性模具毛细折叠技术的微凝胶支架的制造方法，其特征在于：所述的柔性材料为PDMS。
5.根据权利要求1所述的一种基于柔性模具毛细折叠技术的微凝胶支架的制造方法，其特征在于：所述的水凝胶为光固化水凝胶或温度交联型水凝胶；交联固化为紫外光照射或调控温度交联方式。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116040576A (zh) * 2023-01-10 2023-05-02 北京大学 一种柔性材料的纳米通道及其母模的制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101569764A (zh) * 2009-06-10 2009-11-04 天津大学 具有单向孔道阵列的细菌纤维素水凝胶及制备方法
CN102266589A (zh) * 2011-07-28 2011-12-07 西安交通大学 一种力学增强型载细胞微通道水凝胶的制备方法
WO2013090924A1 (en) * 2011-12-16 2013-06-20 William Marsh Rice University Implantable modular hydrogel for salivary gland restoration
CN104162391A (zh) * 2014-08-06 2014-11-26 西安交通大学 一种基于液桥现象的不规则微凝胶制备方法
CN105641743A (zh) * 2016-03-16 2016-06-08 王华楠 一种微流控装置及利用该装置制备微凝胶的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101569764A (zh) * 2009-06-10 2009-11-04 天津大学 具有单向孔道阵列的细菌纤维素水凝胶及制备方法
CN102266589A (zh) * 2011-07-28 2011-12-07 西安交通大学 一种力学增强型载细胞微通道水凝胶的制备方法
WO2013090924A1 (en) * 2011-12-16 2013-06-20 William Marsh Rice University Implantable modular hydrogel for salivary gland restoration
CN104162391A (zh) * 2014-08-06 2014-11-26 西安交通大学 一种基于液桥现象的不规则微凝胶制备方法
CN105641743A (zh) * 2016-03-16 2016-06-08 王华楠 一种微流控装置及利用该装置制备微凝胶的方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116040576A (zh) * 2023-01-10 2023-05-02 北京大学 一种柔性材料的纳米通道及其母模的制备方法

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