一种双锥形圆管腔结构的水凝胶芯片及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种双锥形圆管腔结构的水凝胶芯片及其制备方法，和利用所述水凝胶芯片制备病理血管模型的方法。所述的水凝胶是以水凝胶溶液等为原料，通过模板法制备的，能够真实模拟人体病理血管环境，为基础研究和药物研究提供了一种新的体外病理血管模型。

Hydrogel chip with double conical circular cavity structure and preparation method thereof

The invention relates to a hydrogel chip with double conical circular lumen structure and a preparation method thereof, and a method for preparing a pathological vascular model using the hydrogel chip. The hydrogels, which are prepared from the hydrogel solution, are prepared by the template method, can simulate the human pathological vascular environment, and provide a new in vitro pathological vascular model for basic and drug research.

【技术实现步骤摘要】
一种双锥形圆管腔结构的水凝胶芯片及其制备方法
：本专利技术属于组织工程学和生物医学领域，涉及一种双锥形圆管腔结构的水凝胶芯片及其制备方法，和利用水凝胶芯片制备病理血管模型的方法。
技术介绍
：血管是人体内重要的器官，遍布全身，直径从8μm的毛细血管到1cm的大动脉不等，血管的主要功能是在体内运输各种营养物质和代谢产物。体外的血管模型为基础研究和转化医学提供了新的工具，这些模型可以用于研究如生化刺激和物理变化如流速、压力等对内皮细胞的结构和功能的影响，血管生成和血管形成机制，研究药物运输、吸收和治疗效果等。目前在体外构建血管模型主要是通过干细胞诱导形成血管或模拟血管的器官芯片，如中国专利CN201110077551.4，该专利是从骨髓中分离、培养一类原始干细胞亚群，然后诱导干细胞亚群分化为心血管组织，及体外诱导原始亚细胞亚群分化成心肌和血管内皮细胞，为治疗心血管疾病提供了一种新的途径。但是，干细胞诱导形成血管的方法还存在一定的缺陷，如干细胞培养和分化存在困难，以及内皮层形成耗时较长，通常达1至2周。模拟血管的器官芯片可在较短时间(2～4天)内形成内皮层，常用的制作方法包括：微流控技术、3D打印技术和模板法。基于微流控技术制作的血管模型芯片主要通过光刻技术，在聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)材料上构建出细微的流体通道，这种材料的芯片构建的流体通道一般为方形通道，在流体动力学上与人体内圆形的血管有差异；同时由于PDMS材料本身的性质，所制造的芯片一般需要改性后才能培养细胞；并且PDMS材料制造的芯片不具有人体血管的渗透性质，导致体外内皮细胞培养所需要的生理微环境和血管中的各种流体流动、压力以及伸缩力不能很好地重现，无法真实模拟出人体内部的环境。近年来随着3D打印技术的发展，许多文献报道了通过3D打印水凝胶技术来制作血管结构，如中国专利CN201410030653.4，该专利通过复合多喷头3D打印技术制备带分支血管的组织器官放生结构，水凝胶结构不必交联或聚合。不过目前3D打印水凝胶技术仍有一定的局限性，打印出来的水凝胶血管结构精度较低，血管结构内表面的光滑度还有待提高，尺寸也相对较大。模板法通常使用均一直径的圆形管作为模板，如中国专利CN201110215024.5，该专利是在光引发剂聚合物的存在下，通过紫外照射水凝胶溶液发生交联凝固制备，其中光引发剂聚合物容易对细胞造成毒害；且该专利仅使用聚甲基丙烯酸甲酯材质模具，材质单一；另外该专利使用的微通道模板为不锈钢毛细管或纤维，为均一直径的圆形管，模板未进行修饰，仅可制作出均一直径的正常血管模型，无法模拟动脉血栓之类的病理血管形态。已知的血管模型的制备方法，细胞培养和分化工艺较为复杂，血管渗透性、精度还有待提高，且通常制备的是均一直径管状结构，难以有效模拟人体病理血管结构。
技术实现思路
：针对现有技术的不足，本专利技术提供一种双锥形圆管腔结构的水凝胶芯片及其制备方法，该水凝胶芯片是采用水凝胶材料浇筑模板后移除模板所形成的。所述芯片具有双锥形管腔结构，管腔内部表面均匀光滑，渗透性优于PDMS材料，不需改性即可培养细胞。本专利技术还提供了利用所述水凝胶芯片制备病理血管模型的方法。本专利技术的技术方案如下：一种双锥形圆管腔结构的水凝胶芯片，所述水凝胶芯片内管腔结构为圆形，所述内管腔直径从芯片一端到芯片另一端先逐渐减小然后再逐渐增大。根据本专利技术，所述芯片内管腔直径最大处为300～1200μm，内管腔直径最小处为100～600μm；优选的，所述芯片内管腔直径最大处为300μm，内管腔直径最小处为100μm；优选的，所述芯片内管腔直径最大处为500μm，内管腔直径最小处为122μm；优选的，所述芯片内管腔直径最大处为700μm，内管腔直径最小处为259μm；优选的，所述芯片内管腔直径最大处为900μm，内管腔直径最小处为300μm；根据本专利技术，所述水凝胶芯片由水凝胶溶液浇筑模板后移除模板形成；优选的，所述移除模板是通过抽拉进行移除；根据本专利技术，所述水凝胶溶液含有至少一种温度敏感性材料或能够通过化学反应凝固的材料；所述水凝胶溶液中，温度敏感性材料或能够通过化学反应凝固的材料的质量百分浓度为0.1～50％，优选0.1～20％；优选的，所述温度敏感性材料或能够通过化学反应凝固的材料选自明胶、琼脂糖、基质胶、海藻酸钠；所述水凝胶溶液的溶剂为pH在7.2～7.4的双蒸水、磷酸盐缓冲液、细胞培养液或Tris-盐酸缓冲液的任意一种；优选的，所述水凝胶溶液还含有一种或多种为细胞提供营养的活性物质，所述水凝胶溶液中，活性物质的质量百分浓度为0.1～50％；进一步优选的，所述活性物质选自活性肽、肝素、粘多糖、糖蛋白、壳聚糖、牛血清蛋白或胶原；优选的，所述的模板通过模板原材料在高温下拉伸形成；所述模板原材料选自玻璃管、可加热金属管、塑料管或橡胶管；优选的，所述的模板通过方形盒状框架进行固定，所述方形盒状框架是通过对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PET)、橡胶板、硅胶板或环氧树脂进行激光雕刻形成；进一步优选的，激光雕刻形成的方形盒状框架，根据实验需要通过激光雕刻出对称的小孔用于固定模板；模板与方形盒状框架底部高度最低可至200μm；根据本专利技术，一种双锥形圆管腔结构的水凝胶芯片的制备方法，所述方法包括步骤：1)采用模板原材料在高温下拉伸形成双锥形圆管结构的模板；2)使用激光雕刻形成的方形盒状框架将模板进行固定；3)使用水凝胶溶液为原料，浇筑模板后移除模板形成双锥形圆形管腔结构的水凝胶芯片。根据本专利技术，所述步骤1)中，模板的制备方法包括步骤：(1)固定模板原材料两端，所述模板原材料中间围绕一圈可加热环型金属片；(2)对模板原材料中间进行加热，当模板原材料开始软化时，测量环型金属片的温度，记为模板原材料的软化温度，拉伸温度选择为软化温度±0-30℃；(3)对模板原材料中间进行加热，环型金属片升温至拉伸温度时，将模板原材料两端向相反方向进行等力同轴拉伸形成双锥形圆管结构的模板。根据本专利技术，所述模板原材料选自玻璃管、可加热金属管、塑料管或橡胶管；优选的，所述模板原材料为玻璃毛细管。根据本专利技术，水凝胶溶液为明胶、胶原和磷酸缓冲液的混合液，其中，明胶的质量百分浓度为12.5％，胶原的质量百分浓度为0.1％。优选的，所述步骤1)中，通过控制拉伸温度、拉伸时间控制模板的双锥形结构的形状。优选的，所述步骤1)中，模板原材料为直径300μm的玻璃毛细管，形成的模板的内管腔直径最大处为300μm，内管腔直径最小处为100μm；优选的，所述步骤1)中，模板原材料为直径500μm的玻璃毛细管，形成的模板的内管腔直径最大处为500μm，内管腔直径最小处为122μm；优选的，所述步骤1)中，模板原材料为直径700μm的玻璃毛细管，形成的模板的内管腔直径最大处为700μm，内管腔直径最小处为259μm；优选的，所述步骤1)中，模板原材料为直径900μm的玻璃毛细管，形成的模板的内管腔直径最大处900μm，内管腔直径最小处为300μm；根据本专利技术，所述步骤2)中，激光雕刻形成的方形盒状框架，根据实验需要通过激光雕刻出对称的小孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双锥形圆管腔结构的水凝胶芯片，其特征在于：所述水凝胶芯片内管腔结构为圆形，所述内管腔直径从芯片一端到芯片另一端先逐渐减小然后再逐渐增大；所述芯片内管腔直径最大处为300～1200μm，内管腔直径最小处为100～600μm。

【技术特征摘要】
1.一种双锥形圆管腔结构的水凝胶芯片，其特征在于：所述水凝胶芯片内管腔结构为圆形，所述内管腔直径从芯片一端到芯片另一端先逐渐减小然后再逐渐增大；所述芯片内管腔直径最大处为300～1200μm，内管腔直径最小处为100～600μm。2.根据权利要求1所述的水凝胶芯片，其特征在于：所述芯片内管腔直径最大处为300μm，内管腔直径最小处为100μm；或，所述芯片内管腔直径最大处为500μm，内管腔直径最小处为122μm；或，所述芯片内管腔直径最大处为700μm，内管腔直径最小处为259μm；或，所述芯片内管腔直径最大处为900μm，内管腔直径最小处为300μm。3.根据权利要求1或2所述的水凝胶芯片，其特征在于：所述水凝胶芯片由水凝胶溶液浇筑模板后移除模板形成；所述水凝胶溶液含有至少一种温度敏感性材料或能够通过化学反应凝固的材料；所述水凝胶溶液中，温度敏感性材料或能够通过化学反应凝固的材料的质量百分浓度为0.1～50％；所述温度敏感性材料或能够通过化学反应凝固的材料选自明胶、琼脂糖、基质胶、海藻酸钠；所述水凝胶溶液的溶剂为pH在7.2～7.4的双蒸水、磷酸盐缓冲液、细胞培养液或Tris-盐酸缓冲液的任意一种。4.根据权利要求3所述的水凝胶芯片，其特征在于：所述移除模板是通过抽拉进行移除；所述水凝胶溶液还含有一种或多种为细胞提供营养的活性物质，所述水凝胶溶液中，活性物质的质量百分浓度为0.1～50％；所述活性物质选自活性肽、肝素、粘多糖、糖蛋白、壳聚糖、牛血清蛋白或胶原。5.根据权利要求1或2所述的水凝胶芯片，其特征在于：所述的模板通过模板原材料在高温下拉伸形成；所述模板原材料选自玻璃管、可加热金属管、塑料管或橡胶管；所述的模板通过方形盒状框架进行固定，所述方形盒状框架是通过对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PET)、橡胶板、硅胶板或环氧树脂进行激光雕刻形成。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：万玮，王立秋，李艳，陈成敏，王雪莹，
申请(专利权)人：山东省科学院能源研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37