一种异质多层结构的水凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种异质多层结构的水凝胶及其制备方法。该制备方法包括如下步骤：制备含有水溶性二价阳离子盐的具有光交联特性的温敏凝胶芯；将温敏凝胶芯浸泡于海藻酸钠水溶液中，经交联反应在其表面形成一层海藻酸盐凝胶；海藻酸钠水溶液含有光引发剂；将经上述处理后的温敏凝胶芯重复上一步骤，在其表面形成多层海藻酸盐凝胶；将经上述处理后的凝胶芯进行光照射，经光交联反应在温敏凝胶芯与海藻酸盐凝胶的界面处形成光交联凝胶层；去除未光交联反应的温敏凝胶芯即得。本发明专利技术方法操作简单，快速，数分钟即可成型多达10层的水凝胶结构；支持异质材料分层结构的快速成型；对细胞无损伤，多层凝胶结构可支持细胞、大分子、小分子的装载，具有广阔应用前景。

A hydrogel with heterogeneous multilayer structure and its preparation method

The present invention discloses a kind of hydrogel with heterogeneous multilayer structure and its preparation method. The preparation method comprises the following steps: Wen Min gel core has the photocrosslinking properties of preparation containing a water-soluble two valent cation salts; temperature sensitive gel core immersed in aqueous solution of sodium alginate, the crosslinking reaction to form a layer of alginate gel on the surface; photoinitiator containing aqueous solution of sodium alginate by temperature; the core sensitive gel treated repeatprevious step, forming a multilayer alginate gel on the surface of the light irradiation; the treated gel core, by photocrosslinking reaction at the interface in a temperature sensitive gel core and alginate gel forming crosslinking gel layer; temperature sensitive gel core removal without crosslinking reaction that was the. The method of the invention has the advantages of simple operation, rapid, hydrogel structures in minutes forming up to 10 layers of heterogeneous materials; rapid prototyping support hierarchical structure; no damage to the cells, multilayer structure can support cell gel loading, macromolecules and small molecules, and has broad application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种异质多层结构的水凝胶及其制备方法
本专利技术涉及一种异质多层结构的水凝胶及其制备方法，属于材料科学和工程

技术介绍
水凝胶材料是一类重要的生物医用材料，在组织工程、药物输运等领域都具有广泛应用。分层或梯度形式的异质水凝胶结构在仿生组织构建、药物可控缓释等方面起到了重要作用：体内广泛存在着异质分层结构，比如球状的肺泡，管状的血管、胆管、气管，片状的皮肤等组织均具有分层结构；分层水凝胶结构的逐层降解特点在药物及分子释放方面则表现着巨大潜力。2008年，研究者首次报道了多层凝胶膜的成型(Nature.2008；452:76-79.)，它利用聚电解质材料反复在碱性溶液中浸涂，达到在界面由外向内逐层生成凝胶膜的效果。随后，研究者陆续报道了基于酸碱度交联(ACSApplMaterInterfaces.2014,6(3):1872-1878.ACSApplMaterInterfaces.2016,8(11):6880-6889.)、离子交联(SoftMatter.2009,5(10):1987-1989.)等形式的分层凝胶结构。这些方法能做到多达十几层的分层凝胶结构，主要集中在洋葱式的球形、简单的圆柱形；它们基本局限于一种材料，只是通过分步涂覆或反应，产生分层凝胶的效果；由于反应条件为强酸强碱以及材料生物相容性的限制，它们在细胞直接包裹式的生物工程应用场景中应用较少。异质材料的分层结构，特别是用以仿生血管网络的分叉中空管结构，在制备上依然存在较大挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种异质多层结构的水凝胶及其制备方法，本专利技术利用交联剂或交联引发剂在相界面(固-液或固-固界面)可以进行扩散，从而激发交联反应的发生并形成凝胶层；具体地，将离子交联所依赖的离子装载在可光交联的固相(凝胶相)中，将光交联所依赖的光引发剂装载在可离子交联的液相(溶胶相)中，二者接触时，由于离子的扩散，使得固-液界面在液相一侧形成明显的离子交联凝胶；在光照的作用下，光引发剂产生自由基，由于自由基的扩散，使得在原始的固相一侧发生化学交联反应，形成一层稳定的光交联凝胶；原始固相中未发生化学交联反应的部分可以通过变温处理溶解，产生空腔结构。本专利技术所提供的异质多层结构的水凝胶的制备方法，包括如下步骤：(1)制备含有水溶性二价阳离子盐的温敏凝胶芯；所述温敏凝胶芯具有光交联特性；(2)将所述温敏凝胶芯浸泡于海藻酸钠水溶液中，经交联反应即在所述温敏凝胶芯的表面形成一层海藻酸盐凝胶；所述海藻酸钠水溶液中含有光引发剂；(3)将经步骤(2)处理后的所述温敏凝胶芯重复步骤(2)，即在所述温敏凝胶芯的表面形成多层所述海藻酸盐凝胶；(4)将经步骤(3)处理后的所述凝胶芯进行光照射，经光交联反应即在所述温敏凝胶芯与所述海藻酸盐凝胶的界面处形成光交联凝胶层；去除未进行所述光交联反应的所述温敏凝胶芯材料，即得到所述异质多层结构的水凝胶。所述的制备方法中，步骤(1)中，所述水溶性二价阳离子盐可为氯化钙、硫酸钙、氯化钡、氯化镁和硫酸镁中至少一种；所述温敏凝胶芯中所述水溶性二价阳离子盐的质量-体积浓度可为0.001～0.1g/ml，具体可为0.02g/ml。所述的制备方法中，步骤(1)中，可采用下述方法制备所述温敏凝胶芯：①将温敏溶液浇注到采用金属、高分子塑料、高分子弹性体等材料制成的模具中(比如可以采用3D打印技术打印定制化模具)，等待凝胶完成即取出待用。②用注射器吸取温敏溶液，等待凝胶完成，截断注射器前端，将凝胶柱推挤出即得到与注射器内部尺寸一致的凝胶芯。③采用3D打印方法，将温敏溶液打印成想要的形状并进行凝胶。所述温敏凝胶芯可为下述1)或2)1)由具有光交联特性的温敏凝胶成型得到；所述具有光交联特性的温敏凝胶指的是既具有可逆温敏凝胶特性(以便前期形成温敏凝胶，以及后续溶出未反应的芯)，又具有光交联特性，如GelMA(甲基丙烯酸酯明胶)，其接枝度可以在10～100％之间，可采用浓度为0.025～0.30g/ml的GelMA水溶液成型制备所述温敏凝胶芯；2)由温敏凝胶组分和光交联组分的混合物成型得到；所述温敏凝胶组分可为明胶、普朗尼克F127、基质胶、纤维素衍生物、壳聚糖、木葡聚糖和聚(N-异丙基丙烯酰胺)基材料、琼脂糖、聚丙烯酰胺等中任一种；所述光交联组分可为甲基丙烯化透明质酸(MeHA)、聚乙二醇甲基丙烯、GelMA及其他甲基丙烯化高分子材料；上述制备过程中，将所述水溶性二价阳离子盐溶于温敏溶液中即可得到含有水溶性二价阳离子盐的温敏凝胶芯。所述温敏凝胶芯中含有如下1)-4)种组分中任一种：1)胶原、纤维蛋白原、基质胶、纤连蛋白、透明质酸、明胶、壳聚糖和聚乙二醇中任一种，即天然或合成的蛋白、多糖等成分；2)内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞、软骨细胞、肝细胞、心肌细胞、神经细胞癌细胞、各种成体干细胞、胚胎干细胞和诱导多能干细胞中任一种，即各种哺乳动物原代细胞或成熟细胞系；3)细菌或病毒；4)药物和/或核酸分子，比如抗癌药物、siRNA等；不同种类的温敏凝胶，其成型温度也不同，对于高温凝胶低温溶胶的材料，凝胶成型温度处于较高温度，如普朗尼克F127的成型温度可以在20～50℃；如对于不同浓度的GelMA溶液或明胶基溶液，采用4℃的成型温度，均可适用。所述的制备方法中，步骤(1)中，所述温敏凝胶芯的形状如下述1)-3)中任一种：1)球体、椭球、四面体、六面体和八面体中任一种；2)呈线状，具有如下a)-c)中至少一种特点：a)横截面为圆形、正方形、梯形、五角星形、多边形或其他异形封闭图形；b)具有单根或多分叉结构；所述多分叉结构的各轴线在二维平面或三维空间内；c)沿轴线方向，横截面的形状和/或尺寸发生变化；3)呈面状，表面为平整结构或具有厘米、毫米或微米级别的凸起和/或凹陷的表面几何形态。所述的制备方法中，步骤(2)中，所述海藻酸钠水溶液的质量-体积浓度可为0.002～0.1g/ml，具体可为0.02g/ml，可采用低粘度、中等粘度或高粘度种类的海藻酸钠；所述海藻酸钠水溶液中所述光引发剂的质量-体积浓度可为0.00005～0.005g/ml，具体可为0.0005g/ml；可采用现有技术中常规的光引发剂，如选用CibaSpecialtyChemicals公司系列产品，包括Irgacure2959(简称I2959)以及Irgacure149、184、369、500、651、784、819、907、1700、1800、1850、1173和4265等产品，还包括LAP(全称lithiumphenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate)等引发剂。所述海藻酸钠水溶液和/或所述温敏凝胶芯中含有如下1)-4)种组分中任一种：1)胶原、纤维蛋白原、基质胶、纤连蛋白、透明质酸、明胶、壳聚糖和聚乙二醇中任一种，即天然或合成的蛋白、多糖等成分；2)内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞、软骨细胞、肝细胞、心肌细胞、神经细胞癌细胞、各种成体干细胞、胚胎干细胞和诱导多能干细胞中任一种，即各种哺乳动物原代细胞或成熟细胞系；3)细菌或病毒；4)药物和/或核酸分子，比如抗癌药物、siRNA等；如制备多分叉、多层仿生的血管网时，可在不同层的海藻酸水凝胶中装载不同的细胞，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种异质多层结构的水凝胶的制备方法，包括如下步骤：(1)制备含有水溶性二价阳离子盐的温敏凝胶芯；所述温敏凝胶芯具有光交联特性；(2)将所述温敏凝胶芯浸泡于海藻酸钠水溶液中，经交联反应即在所述温敏凝胶芯的表面形成一层海藻酸盐凝胶；所述海藻酸钠水溶液中含有光引发剂；(3)将经步骤(2)处理后的所述温敏凝胶芯重复步骤(2)，即在所述温敏凝胶芯的表面形成多层所述海藻酸盐凝胶；(4)将经步骤(3)处理后的所述凝胶芯进行光照射，经光交联反应即在所述温敏凝胶芯与所述海藻酸盐凝胶的界面处形成光交联凝胶层；去除未进行所述光交联反应的所述温敏凝胶芯，即得到所述异质多层结构的水凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种异质多层结构的水凝胶的制备方法，包括如下步骤：(1)制备含有水溶性二价阳离子盐的温敏凝胶芯；所述温敏凝胶芯具有光交联特性；(2)将所述温敏凝胶芯浸泡于海藻酸钠水溶液中，经交联反应即在所述温敏凝胶芯的表面形成一层海藻酸盐凝胶；所述海藻酸钠水溶液中含有光引发剂；(3)将经步骤(2)处理后的所述温敏凝胶芯重复步骤(2)，即在所述温敏凝胶芯的表面形成多层所述海藻酸盐凝胶；(4)将经步骤(3)处理后的所述凝胶芯进行光照射，经光交联反应即在所述温敏凝胶芯与所述海藻酸盐凝胶的界面处形成光交联凝胶层；去除未进行所述光交联反应的所述温敏凝胶芯，即得到所述异质多层结构的水凝胶。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述水溶性二价阳离子盐为氯化钙、硫酸钙、氯化钡、氯化镁和硫酸镁中至少一种；所述温敏凝胶芯中所述水溶性二价阳离子盐的质量-体积浓度为0.001～0.1g/ml。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述温敏凝胶芯为下述1)或2)1)由具有光交联特性的温敏凝胶成型得到；2)由温敏凝胶组分和光交联组分的混合物成型得到。4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述温敏凝胶芯的形状如下述1)-3)中任一种：1)球体、椭球、四面体、六面体和八面体中任一种；2)呈线状，具有如下a)-c)中至少一种特点：a)横截面为圆形、正方形、梯形、五角星形、多边形或其他...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳礼亮，孙伟，赵雨，
申请(专利权)人：上普博源北京生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11