一种水凝胶表面微凸起结构的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种水凝胶表面微凸起结构的制备方法，属于生物技术领域。本发明专利技术方法利用气体生成化学反应诱导形成水凝胶表面的微凸起结构，以实现三维结构材料表面的仿生微凸起结构制备，从而使得凝胶材料表面具有仿生微凸起结构，进而可能被用于构建仿生组织或器官。本发明专利技术方法制备的微凸起结构是生物体内普遍存在的一种几何结构，为细胞提供着特殊的微环境，而水凝胶材料是构建体外仿生组织的重要材料，因此在水凝胶表面制备出仿生微凸起结构对于仿生组织构建十分重要。

A preparation method of micro-bulge structure on hydrogel surface

The invention relates to a preparation method of a micro-bulge structure on the surface of a hydrogel, belonging to the field of biotechnology. The method of the invention induces the formation of the micro convex structure on the surface of the hydrogel by the chemical reaction induced by the gas, so as to realize the preparation of the bionic micro protruding structure on the surface of the three-dimensional structure material, so that the surface of the gel material has a bionic micro protruding structure, and then may be used for constructing the biomimetic tissue or organ. The micro-bump structure prepared by the method of the invention is a universal geometric structure in organisms and provides a special micro-environment for cells. Hydrogel material is an important material for constructing bionic tissue in vitro. Therefore, it is very important to prepare bionic micro-bump structure on the surface of hydrogel for the construction of bionic tissue.

【技术实现步骤摘要】
一种水凝胶表面微凸起结构的制备方法
本专利技术涉及一种水凝胶表面微凸起结构的制备方法，属于生物

技术介绍
表面微凸起结构是自然界中普遍存在的一种结构。特殊的仿生几何结构可能具有特殊的功能。在生物体内，表面微凸起结构为细胞提供了特殊的几何微环境，如肾小球中的卷曲血管为肾小球足细胞、肺泡为肺泡上皮细胞提供了微米级的曲面结构。体外细胞培养研究表明，仿生微凸起结构影响着细胞的取向、功能和增殖分化行为。因此在体外模拟这种微结构，从而为细胞提供更加仿生的微环境，对于构建体外仿生器官/组织至关重要。水凝胶材料由于具有较好的细胞相容性及仿生力学性质等优势，近年来已被广泛应用于构建体外仿生器官/组织。目前已有的技术主要是通过模板法来实现水凝胶或者其他材料(如聚二甲基硅氧烷)表面微凸起结构的制备。基于模板法制备微凸起结构，需要利用复杂的微加工技术制备出有微凹槽或凸起结构的模具，进而经过繁琐的翻模过程，最终在目标材料表面制备出微凸起结构。由于模具制作工艺的局限性及模板法的局限性，目前只能实现微凸起结构在二维平面上的制备。然而，在构建仿生组织过程中，仿生基元材料通常具有一定的三维结构(如管状、纤维状、球状)。利用模板法显然难以在具有复杂三维结构的材料表面实现微凸起结构的制备。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种水凝胶表面微凸起结构的制备方法，利用气体生成化学反应诱导形成水凝胶表面的微凸起结构，以实现三维结构材料表面的仿生微凸起结构制备，从而使得凝胶材料表面具有仿生微凸起结构，进而可能被用于构建仿生组织或器官。本专利技术提出的水凝胶表面微凸起结构的制备方法，包括以下步骤：(1)制备第一预聚混合物；(2)使碳酸钙固体颗粒与步骤(1)的第一预聚混合物混合，使碳酸钙固体颗粒在第一预聚混合物中的质量体积浓度为0.05～0.2克/毫升，搅拌，使碳酸钙固体颗粒与第一预聚混合物充分混合，得到第二预聚混合物；(3)对步骤(2)的第二预聚混合物使用紫外光源照射0.3～3分钟；或将第二预聚混合物加热至37℃保温1小时；或将第二预聚混合物与凝血酶混合，混合的比例为：第二预聚混合物:凝血酶＝1毫升:0.5U～2U，其中U为酶活力单位；或将第二预聚混合物冷却至20～40摄氏度；或将第二预聚混合物通入摩尔浓度为0.1～0.3摩尔/升的氯化钙溶液中，通过上述方法使第二预聚混合物交联聚合，形成含碳酸钙固体颗粒的第一凝胶材料；(4)将步骤(3)制备的第一凝胶材料置于10％～40％的盐酸溶液中，快速生成气体，在第一凝胶材料表面形成微凸起结构，得到第二凝胶材料；(5)将步骤(4)的第二凝胶材料用去离子水反复清洗后，置于真空干燥箱中进行真空除气，得到表面有微凸起结构的凝胶材料。上述制备方法中，第一预聚混合物的制备方法如下：当凝胶材料为胶原水凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：在低温(0-4℃)环境中，将胶原原液、磷酸盐缓冲液和氢氧化钠溶液与水的混合得到；胶原原液、磷酸盐缓冲液和氢氧化钠溶液的浓度和混合比例分别按照胶原原液的使用说明书配置，使制备的第一预聚混合物中胶原的终浓度为1毫克/毫升～5毫克/毫升；或：当凝胶材料为纤维蛋白原水凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：将纤维蛋白原粉末溶解在水中得到，使制备的第一预聚混合物中纤维蛋白原的浓度为1毫克/毫升～5毫克/毫升；或：当凝胶材料为琼脂糖水凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：在90℃下，使琼脂糖粉末溶解在水中得到，使制备的第一预聚混合物中琼脂糖的质量体积浓度为1％～5％；或：当凝胶材料为聚乙二醇二丙烯酸酯凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：将聚乙二醇二丙烯酸酯粉末和2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮粉末溶解在水中得到，使配置的第一预聚混合物中，聚乙二醇二丙烯酸酯的质量体积浓度为10％～40％，2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮的质量体积浓度为0.01～0.1克/毫升；或：当凝胶材料为甲基丙烯酰胺基明胶时，第一预聚混合物的制备方法为：将甲基丙烯酰胺基明胶粉末和2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮粉末溶解在水中得到，使制备的第一预聚混合物中，甲基丙烯酰胺基明胶的质量体积浓度为10％～40％，2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮的质量体积浓度为0.01～0.1克/毫升；或：当凝胶材料为海藻酸钙水凝胶纤维/微球/块时，第一预聚混合物的制备方法为：将海藻酸钠溶解在水中得到，使制备的第一预聚混合物中，海藻酸钠的质量体积浓度为1％～3％。本专利技术提出的水凝胶表面微凸起结构的制备方法，其优点是：1、本专利技术提出的水凝胶表面微凸起结构的制备方法，无需复杂昂贵的微加工设备，仅通过气体生成反应即可得到微凸起结构。2、本专利技术提出的微凸起结构制备方法，无需繁琐或耗时的操作或步骤，仅需数十秒即可迅速在凝胶材料表面一步得到微凸起结构。3、本专利技术提出的微凸起结构制备方法，解决了已有技术中三维材料(如球状、纤维状等)表面微拓扑结构制备困难的问题，丰富了仿生凝胶材料基元的结构。具体实施方式本专利技术提出的水凝胶表面微凸起结构的制备方法，包括以下步骤：(1)制备第一预聚混合物；(2)使碳酸钙固体颗粒与步骤(1)的第一预聚混合物混合，使碳酸钙固体颗粒在第一预聚混合物中的质量体积浓度为0.05～0.2克/毫升，搅拌，使碳酸钙固体颗粒与第一预聚混合物充分混合，得到第二预聚混合物；(3)对步骤(2)的第二预聚混合物使用紫外光源照射0.3～3分钟；或将第二预聚混合物加热至37℃保温1小时；或将第二预聚混合物与凝血酶混合，混合的比例为：第二预聚混合物:凝血酶＝1毫升:0.5U～2U，其中U为酶活力单位；或将第二预聚混合物冷却至20～40摄氏度；或将第二预聚混合物通入摩尔浓度为0.1～0.3摩尔/升的氯化钙溶液中，通过上述方法使第二预聚混合物交联聚合，形成含碳酸钙固体颗粒的第一凝胶材料；(4)将步骤(3)制备的第一凝胶材料置于10％～40％的盐酸溶液中，快速生成气体，在第一凝胶材料表面形成微凸起结构，得到第二凝胶材料；(5)将步骤(4)的第二凝胶材料用去离子水反复清洗后，置于真空干燥箱中进行真空除气，得到表面有微凸起结构的凝胶材料。上述制备方法中，第一预聚混合物的制备方法如下：当凝胶材料为胶原水凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：在低温(0-4℃)环境中，将胶原原液、磷酸盐缓冲液和氢氧化钠溶液与水的混合得到；胶原原液、磷酸盐缓冲液和氢氧化钠溶液的浓度和混合比例分别按照胶原原液的使用说明书配置，使制备的第一预聚混合物中胶原的终浓度为1毫克/毫升～5毫克/毫升；或：当凝胶材料为纤维蛋白原水凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：将纤维蛋白原粉末溶解在水中得到，使制备的第一预聚混合物中纤维蛋白原的浓度为1毫克/毫升～5毫克/毫升；或：当凝胶材料为琼脂糖水凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：在90℃下，使琼脂糖粉末溶解在水中得到，使制备的第一预聚混合物中琼脂糖的质量体积浓度为1％～5％；或：当凝胶材料为聚乙二醇二丙烯酸酯凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：将聚乙二醇二丙烯酸酯粉末和2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮粉末溶解在水中得到，使配置的第一预聚混合物中，聚乙二醇二丙烯酸酯的质量体积浓度为10％～40％，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水凝胶表面微凸起结构的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下步骤：(1)制备第一预聚混合物；(2)使碳酸钙固体颗粒与步骤(1)的第一预聚混合物混合，使碳酸钙固体颗粒在第一预聚混合物中的质量体积浓度为0.05～0.2克/毫升，搅拌，使碳酸钙固体颗粒与第一预聚混合物充分混合，得到第二预聚混合物；(3)对步骤(2)的第二预聚混合物使用紫外光源照射0.3～3分钟；或将第二预聚混合物加热至37℃保温1小时；或将第二预聚混合物与凝血酶混合，混合的比例为：第二预聚混合物:凝血酶＝1毫升:0.5U～2U，其中U为酶活力单位；或将第二预聚混合物冷却至20～40摄氏度；或将第二预聚混合物通入摩尔浓度为0.1～0.3摩尔/升的氯化钙溶液中，通过上述方法使第二预聚混合物交联聚合，形成含碳酸钙固体颗粒的第一凝胶材料；(4)将步骤(3)制备的第一凝胶材料置于10％～40％的盐酸溶液中，快速生成气体，在第一凝胶材料表面形成微凸起结构，得到第二凝胶材料；(5)将步骤(4)的第二凝胶材料用去离子水反复清洗后，置于真空干燥箱中进行真空除气，得到表面有微凸起结构的凝胶材料。

【技术特征摘要】
1.一种水凝胶表面微凸起结构的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下步骤：(1)制备第一预聚混合物；(2)使碳酸钙固体颗粒与步骤(1)的第一预聚混合物混合，使碳酸钙固体颗粒在第一预聚混合物中的质量体积浓度为0.05～0.2克/毫升，搅拌，使碳酸钙固体颗粒与第一预聚混合物充分混合，得到第二预聚混合物；(3)对步骤(2)的第二预聚混合物使用紫外光源照射0.3～3分钟；或将第二预聚混合物加热至37℃保温1小时；或将第二预聚混合物与凝血酶混合，混合的比例为：第二预聚混合物:凝血酶＝1毫升:0.5U～2U，其中U为酶活力单位；或将第二预聚混合物冷却至20～40摄氏度；或将第二预聚混合物通入摩尔浓度为0.1～0.3摩尔/升的氯化钙溶液中，通过上述方法使第二预聚混合物交联聚合，形成含碳酸钙固体颗粒的第一凝胶材料；(4)将步骤(3)制备的第一凝胶材料置于10％～40％的盐酸溶液中，快速生成气体，在第一凝胶材料表面形成微凸起结构，得到第二凝胶材料；(5)将步骤(4)的第二凝胶材料用去离子水反复清洗后，置于真空干燥箱中进行真空除气，得到表面有微凸起结构的凝胶材料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于其中所述的制备第一预聚混合物的方法如下：当凝胶材料为胶原水凝胶时，第一预聚混合物的制备方法为：在低温(0-4℃)环境中，将胶原原液、磷酸盐缓冲液和氢氧化钠溶液与水的混合得到；胶原原液、磷酸盐缓冲液和氢氧化钠溶液的浓度和混合比例分别按照...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁琼麟，谢若箫，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11