CN115429818A - 一种多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备方法，属于生物医学工程技术领域。该方法基于高分子溶液相分离原理结合单乳液液滴模板微流控技术制备包裹间充质干细胞和胰岛β细胞的微凝胶，通过洗涤去除致孔相聚氧化乙烯溶液，经培养得到多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶。该多孔微载体具有良好的生物相容性，孔隙之间相互联通提高物质交换的效率，从而促进胰岛β细胞及骨髓间充质干细胞快速增殖，改善细胞体内存活率，并提高胰岛β细胞的胰岛素分泌功能及间充质干细胞的免疫调节能力，进一步改善了一般的β细胞替代治疗方案，使得胰岛β细胞移植便于转化为临床应用。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学工程技术领域，具体涉及一种多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备方法。
背景技术
1型糖尿病是一种严重危害人类健康的慢性代谢性疾病，其患病率在全球范围内呈快速上升趋势。当前对于1型糖尿病的治疗方法的研究聚焦于通过胰岛β细胞替代疗法来恢复内源性胰岛素分泌。胰岛β细胞替代疗法目前多以移植为主，移植细胞可根据血糖浓度的变化分泌胰岛素从而控制血糖代谢。然而，这一策略的长期有效性受到持续性移植物免疫排斥反应的限制。针对这一问题，研究者已开发出用于包裹β细胞及具有免疫隔离作用的生物材料，从而改善移植结果。但目前的大多数封装系统缺乏合适的辅助细胞或者因子与β细胞共定位的设计，无法模拟天然的胰岛微环境，从而导致移植的β细胞的功能和活性不佳。基于此，提出一种多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备方法，基于高分子溶液相分离原理，结合微流控技术制备多孔微凝胶，在提高营养物质供应的基础上，还能通过骨髓间充质干细胞(MSCs)促进胰岛β细胞存活和功能，从而用于组织工程研究和糖尿病治疗。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备方法，包括以下步骤：
制备W/O单乳液液滴，其中外相为油相溶液、内相为双水相水凝胶细胞预聚溶液；双水相水凝胶细胞预聚溶液包含有可交联水溶性聚合物溶液、致孔相聚合物溶液、光引发剂、胰岛β细胞及骨髓间充质干细胞；
对W/O单乳液液滴进行辐射交联，将内相交联成为微凝胶，并去除外相的油相溶液；洗涤微凝胶去除致孔相聚合物溶液得到多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶。
进一步地，所述制备W/O单乳液液滴包括以下步骤；
将乳化剂溶于油性溶液中，将油性溶液通入外相通道；
将光引发剂溶于可交联水溶性聚合物溶液，过滤除菌后加入胰岛β细胞及骨髓间充质干细胞；将光引发剂溶于致孔相聚合物溶液；混合两种水相溶液制备双水相水凝胶细胞预聚溶液，将预聚溶液通入内相通道；
通过调节内相、外相溶液的流速，利用液体的剪切力形成油包水的W/O单乳液液滴。
进一步地，所述对W/O单乳液液滴进行辐射交联，将内相交联成为微凝胶，并去除油相溶液；洗涤微凝胶去除致孔相聚合物溶液得到多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶具体包括以下步骤：
使用紫外光照射W/O单乳液液滴，交联内相水凝胶细胞预聚溶液，形成载有胰岛β细胞及骨髓间充质干细胞微凝胶；
将载有胰岛β细胞及骨髓间充质干细胞微凝胶置于1×PBS缓冲液中，经过离心去除外相的油相溶液；
将载有胰岛β细胞及骨髓间充质干细胞的微凝胶置于培养皿中，加入培养基，于37℃培养箱中培养，24h后去除未成胶的致孔相聚合物得到多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶。
进一步地，所述外相中的乳化剂与油性溶剂的质量比为8：100；乳化剂为司班80，油性溶剂为液体石蜡。
进一步地，所述内相中的可交联水溶性聚合物溶液与致孔相聚合物溶液的质量比为1：1；可交联水溶性聚合物溶液为甲基丙烯酰明胶(GelMA)溶液，致孔相聚合物为聚氧化乙烯(PEO)溶液。
进一步地，光引发剂为苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐(LAP)。
进一步地，骨髓间充质干细胞与胰岛β细胞的浓度比为1：3，骨髓间充质干细胞的细胞浓度为3×106个/mL，胰岛β细胞的细胞浓度为9×106个/mL。
进一步地，所述离心的方式为在800r/min的速度下离心3分钟，离心次数为三次。
进一步地，所述多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的直径在290μm-330μm范围内；所述多孔微凝胶的内孔直径在25μm-85μm范围内。
进一步地,甲基丙烯酰明胶溶液中甲基丙烯酰化明胶的质量分数为10％，聚氧化乙烯溶液中聚氧化乙烯的质量分数为1.6％。
第二方面,根据如上述任意一项所述的多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备方法制得的微凝胶应用于制备治疗糖尿病药物。
本发明的有益效果：
本发明基于高分子溶液相分离原理结合微流控技术制备多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶，水凝胶预聚溶液中的两相均为水相，细胞毒性相对低，制备过程中成孔且后处理容易，无需二次致孔且孔径可调，通过调节微流控参数可实现多孔微凝胶的尺寸控制，能够一次性大量制备，制备过程简易高效。
本发明制备的多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶，成孔完成后除去致孔相聚合物，得到具有多孔结构的载细胞微凝胶，其水凝胶屏障允许小分子物质交换的同时，隔离免疫细胞及免疫球蛋白。
本发明制备的多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶，具有良好的生物相容性，提高了氧气、营养物质的扩散效率，模拟了体内细胞生长的微环境，促进细胞的扩散、增殖及细胞间交流，可有望应用于多细胞三维共培养，细胞包裹移植和组织工程领域。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本申请的实施例多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶制备的示意图；其中，图中a为微流控W/O单乳液液滴的制备示意图，图中b为多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶制备示意图；
图2为本申请的实施例微流控W/O单乳液液滴制备图；其中，图中a为微流控W/O单乳液液滴生成过程，图b为多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶直径与內相流速的关系，图c为多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶直径与外相流速的关系；
图3为本申请的实施例多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶光镜图和单分散性；其中，图中a为多孔微凝胶光镜图像，图中b为图中a为多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶光镜图像，图中c多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的直径分布柱状图；
图4为本申请的实施例多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的孔隙光镜图和电镜图；图中a为孔隙的光镜图，图中b为多孔微凝胶表面孔隙的电镜图，图中c为多孔微凝胶横截面孔隙的电镜图；
图5为本申请的实施例多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的增殖能力检测示意图；其中，图中a为活细胞染色图，图中b为活细胞荧光强度统计柱状图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
本发明提供了一种多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备方法，其特征在于：先利用高分子溶液相分离原理结合微流控技术制备W/O单乳液液滴，其中外相为油相溶液、内相为双水相水凝胶细胞预聚溶液；形成W/O单乳液液滴后，将内相交联成为微凝胶，并去除外相的油相溶液；经过细胞培养液洗涤去除致孔相聚合物溶液得到所述多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶。
实施例：多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备
(1)微流控W/O单乳液液滴生成装置的搭建
使用微电极控制仪将外径为1000μm，内径为580μm玻璃毛细管调整为出口为100-200μm的尖头毛细管，作为微流控W/O单乳液液滴生成装置的内相管；再取一根同尺寸玻璃毛细管，砂纸打磨平滑后作为微流控W/O单乳液液滴生成装置的外相管；取一根内径为1200μm的方形玻璃毛细管，打磨平滑后作为液滴生成的观察管；用速干胶将方形管固定于载玻片中央，切割内相管和外相管至匹配尺寸，嵌套内相管及外相管成同轴的毛细管道，连接处置于观察管中央，最后将平头针头底部刻出凹槽，垂直于载玻片用速干胶固定密封在观察管两端，得到所述微流控单乳液液滴生成装置；
(2)微流控W/OW/O单乳液液滴的制备
将4g司班80加入50g液体石蜡中(乳化剂：油性溶液＝8:100)，60℃搅拌溶解，通入外相通道。将1g甲基丙烯酰明胶(GelMA)和0.025g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐(LAP)溶解于10mL1×PBS缓冲液，50℃避光搅拌溶解，并与培养好的骨髓间充质干细胞按照细胞浓度为3×106个/mL混合，将该溶液过0.22μm的滤膜除菌与培养好的胰岛β细胞按照细胞浓度为1×107个/mL混合，制备可交联水溶性聚合物溶液。将0.16g聚氧化乙烯(PEO)和0.025g苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐(LAP)溶解于10mL1×PBS缓冲液，50℃避光搅拌溶解，将该溶液过0.22μm的滤膜除菌，制备致孔相聚合物溶液。将可交联水溶性聚合物溶液与致孔相聚合物溶液按照质量比为1：1混合，制备双水相水凝胶细胞预聚溶液，通入内相通道。通过调节内相、外相溶液的流速，利用液体的剪切力形成W/O单乳液液滴。
(3)多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备
使用紫外光照射W/O单乳液液滴，交联内相水凝胶细胞预聚溶液，形成载有胰岛β细胞及骨髓间充质干细胞微凝胶；将载有胰岛β细胞及骨髓间充质干细胞微凝胶置于1×PBS缓冲液中，经过3次800r/min离心3分钟去除外相的油性溶液，将载有胰岛β细胞及骨髓间充质干细胞的微凝胶置于培养皿中，加入1640培养基，于37℃培养箱中培养，隔日换液，24h后去除未成胶的致孔相聚合物得到多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶。
通过对微流控系统的参数进行调节，能够精准地控制微凝胶的尺寸，如图2所示。当内相溶液的流量固定不变时，微凝胶直径内相溶液的流量成正比，当外相溶液的流量固定不变时，微凝胶直径与外相溶液的流量成反比。紫外线直接照射外相毛细管内的微流控W/O单乳液液滴，使內相水凝胶细胞预聚溶液即时固化，能够在外相毛细管出口快速收集W/O单乳液液滴，并在形成液滴的过程中成孔，成孔后溶出致孔相聚合物可得到大量单分散性良好，具有相互连接的内孔的多孔微凝胶。通过扫描电子显微镜观察经过冻干的多孔微凝胶，可观察到冻干后微凝胶表面及横截面所形成的的多个孔洞的形貌，孔隙结构有利于细胞的扩散与增至且提高了物质交换的效率，从而提高细胞的存活率。在对经过培养1天，3天，5天和7天的载细胞多孔微凝胶进行活细胞钙黄绿素染色，根据荧光强度的强弱，观察多孔微凝胶内的细胞增殖情况，可知MSCs和胰岛β细胞具有良好的增殖情况，证实了多孔微凝胶不仅具有良好的生物相容性且孔隙结构适合细胞的扩散与增殖。动物实验结果显示多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶移植到糖尿病模型小鼠体内有降低小鼠血糖的效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (10)
1.一种多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备W/O单乳液液滴，其中外相为油性溶液、内相为双水相水凝胶细胞预聚溶液；双水相水凝胶细胞预聚溶液包含有可交联水溶性聚合物溶液、致孔相聚合物溶液、光引发剂、胰岛β细胞及骨髓间充质干细胞；
对W/O单乳液液滴进行辐射交联，将内相交联成为微凝胶，并去除外相的油相溶液；洗涤微凝胶去除致孔相聚合物溶液得到多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶。
2.根据权利要求1所述的多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备W/O单乳液液滴包括以下步骤；
将乳化剂溶于油性溶液中，将油性溶液通入外相通道；
将光引发剂溶于可交联水溶性聚合物溶液，过滤除菌后加入胰岛β细胞及骨髓间充质干细胞；将光引发剂溶于致孔相聚合物溶液；混合两种水相溶液制备双水相水凝胶细胞预聚溶液，将预聚溶液通入内相通道；
通过调节内相、外相溶液的流速，利用液体的剪切力形成油包水的W/O单乳液液滴。
3.根据权利要求1所述的多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备方法，其特征在于，所述对W/O单乳液液滴进行辐射交联，将内相交联成为微凝胶，并去除油相溶液；洗涤微凝胶去除致孔相聚合物溶液得到多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶具体包括以下步骤：
使用紫外光照射W/O单乳液液滴，交联内相水凝胶细胞预聚溶液，形成载有胰岛β细胞及骨髓间充质干细胞微凝胶；
将载有胰岛β细胞及骨髓间充质干细胞微凝胶置于1×PBS缓冲液中，经过离心去除外相的油相溶液；
将载有胰岛β细胞及骨髓间充质干细胞的微凝胶置于培养皿中，加入培养基，于37℃培养箱中培养，24h后去除未成胶的致孔相聚合物得到多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶。
4.根据权利要求1所述的多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备方法，其特征在于，所述外相中的乳化剂与油性溶剂的质量比为8：100；乳化剂为司班80，油性溶剂为液体石蜡。
5.根据权利要求1所述的多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备方法，其特征在于，所述内相中的可交联水溶性聚合物溶液与致孔相聚合物溶液的质量比为1：1；可交联水溶性聚合物溶液为甲基丙烯酰化明胶(GelMA)溶液，致孔相聚合物为聚氧化乙烯(PEO)溶液。
6.根据权利要求1所述的多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备方法，其特征在于，光引发剂为苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐(LAP)。
7.根据权利要求2所述的多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备方法，其特征在于，骨髓间充质干细胞与胰岛β细胞的浓度比为1：3，骨髓间充质干细胞的细胞浓度为3×106个/mL，胰岛β细胞的细胞浓度为9×106个/mL。
8.根据权利要求1所述的多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备方法，其特征在于,所述多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的直径在290μm-330μm范围内；所述多孔微凝胶的内孔直径在25μm-85μm范围内。
9.根据权利要求5所述的多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备方法，其特征在于,甲基丙烯酰明胶溶液中甲基丙烯酰化明胶的质量分数为10％，聚氧化乙烯溶液中聚氧化乙烯的质量分数为1.6％。
10.根据权利要求1至9任一项所述的多孔间充质干细胞复合胰岛微凝胶的制备方法制得的微凝胶在制备治疗糖尿病药物中的应用。
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