磁电响应仿生水凝胶及可调细胞电学微环境磁电响应仿生水凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了磁电响应仿生水凝胶及可调细胞电学微环境磁电响应仿生水凝胶及其制备方法，磁电响应仿生水凝胶通过Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒与醛基化透明质酸溶液和胶原溶液的混合溶液孵育而成；可调细胞电学微环境磁电响应仿生水凝胶通过Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒与醛基化透明质酸溶液和胶原溶液的混合溶液以及细胞孵育而成。该水凝胶具有外部磁场响应无线电刺激的能力，满足组织再生所需要的良好的生物相容性，能够有效地克服传统电刺激带来的问题，实现无线电刺激，且可模拟细胞外微环境，为受伤组织提供生长基质，可以达到促进组织再生的目的。目的。目的。

【技术实现步骤摘要】
磁电响应仿生水凝胶及可调细胞电学微环境磁电响应仿生水凝胶及其制备方法


[0001]本专利技术属于生物医学材料和生物医学工程
，涉及组织工程学、固体物理学及仿生生物活性材料制备方法，尤其涉及用于骨组织和神经组织工程的磁电响应仿生水凝胶及可调细胞电学微环境磁电响应仿生水凝胶及其制备方法。

技术介绍

[0002]电刺激作为一种物理刺激手段，在再生医学和组织工程中的应用得到了迅速的发展。近年来，利用电刺激促进损伤神经组织的再生分化的可行性已经得到了证实。适当的电刺激可以促进神经细胞的生长、增殖、和分化。然而，侵入性电刺激往往需要面临两个问题：(Ⅰ)电极/组织界面的接触问题；(Ⅱ)外源电刺激常常因为植入式电极的引入，而引发炎症和胶质增生等情况，这对于神经组织的再生是不利的。因此，找到一种新的方法实现非侵入性远程神经刺激并且克服外源电极造成的损害是至关重要的。
[0003]无线电刺激作为一种新兴的手段，既能克服传统电刺激的缺点，同时可以实现非侵入性的、无源的、无限的电刺激。目前无线电刺激的手段主要包括：
①
利用超声触发压电材料的压电效应，实现机械能转化为电能，从而实现电刺激；
②
通过磁场触发磁电材料的磁电效应，实现磁能转化为电能；
③
利用无线能量传输技术，制备小型化、无电池、微创的植入物实现电刺激。无线电刺激在生物医学中的应用显示出巨大的潜力，不仅可以激活神经组织，还可以刺激其它可电兴奋细胞(如心肌细胞、骨骼肌管、成骨细胞)。一般来说，对可兴奋细胞施加电刺激可以实现对组织功能的精细调节，并在许多治疗中发挥重要作用，如心律失常，慢性疼痛，帕金森氏病等疾病。
[0004]压电材料为实现无线电刺激提供了一种可能。压电材料能够通过机械转化输出电能，在不使用植入电极和外部电源的情况下，最有可能实现生物安全的电刺激应用。然而，压电效应需在机械运动刺激或者超声作用下触发，限制了在运动障碍患者或部位的应用，而基于超声波刺激产生的压电效应则由于超声波的组织穿透性差及可能产生的空化效应和热效应而对组织产生不良影响，其应用也受到限制。
[0005]由压电材料和磁响应材料组成的磁电材料，可通过温和的外磁场产生电刺激，可有效避免上述问题，这种磁电刺激平台受到越来越多研究人员的关注。典型的磁电刺激平台可通过在压电聚合物薄膜中加入磁性颗粒，获得磁刺激作用下的电输出。然而，简单的磁致伸缩相和压电相混合获得磁电材料，存在耦合面积小、共轭性弱、磁电转换效率低等问题。此外，所采用的基质材料生物相容性差，不具有生物活性，且其结构与力学性能与神经组织不匹配，限制了其在各种组织损伤修复中的应用。
[0006]综上所述，目前报道的电刺激手段由于存在着组织相容性差、力学性能不匹配、生物活性低等问题，限制了其在组织工程和再生领域的广泛应用。因此，亟需一种可以有效地模拟天然细胞外微环境，并且能够有效地实现无线电刺激的方式，满足细胞在材料中实现三维包裹的同时，对细胞施加有效地电刺激，实现对细胞行为的调控。

技术实现思路

[0007]针对传统电刺激存在着组织相容性差、力学性能不匹配配、生物活性低等技术问题，本专利技术的目的之一是提供一种磁电响应仿生水凝胶及其制备方法，该水凝胶具有外部磁场响应无线电刺激的能力，满足组织再生所需要的良好的生物相容性，能够有效地克服传统电刺激带来的问题，实现无线电刺激，且可模拟细胞外微环境，为受伤组织提供生长基质，可以达到促进组织再生的目的。
[0008]本专利技术的目的之二是提供一种可调细胞电学微环境磁电响应仿生水凝胶及其制备方法，该水凝胶通过向前述磁电响应仿生水凝胶中加入细胞，实现细胞三维原位封装，可通过远程磁场刺激产生电效应来无线刺激并调节细胞功能，包括增殖、分化及相应的功能化，具有良好的组织工程应用前景。
[0009]为达到上述目的，本专利技术首先提供一种磁电响应仿生水凝胶，该水凝胶通过Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒与醛基化透明质酸溶液和胶原溶液的混合溶液孵育而成，所述Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒为表面修饰了BaTiO3壳层的Fe3O4纳米颗粒，所述水凝胶包含1～5％w/v的醛基化透明质酸、1～6％w/v的胶原以及0～2％w/v的Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒，Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒的含量不为0。
[0010]本专利技术提供的磁电响应仿生水凝胶，其基于生物仿生凝胶基质和磁电纳米材料的复合构建出具有外部磁场响应的仿生无线电刺激复合凝胶。该水凝胶采用胶原/透明质酸复合凝胶体系，具有与天然组织相近的组成及良好的生物相容性，其具有胶原分子中的氨基与透明质酸分子上的醛基进行酰胺化反应形成亚胺键以及胶原自组装所形成的双重交联网络，具有良好的生物活性及力学性能，能够有效地与组织适配，满足诱导组织再生的要求。同时，在外加磁场的作用下，Fe3O4@BaTiO3磁电纳米颗粒内部的Fe3O4纳米颗粒受磁场作用，能够产生磁致伸缩效应，以应力/应变的形式传导至壳层压电相BaTiO3，从而产生电信号，从而实现磁触发无线电刺激。
[0011]上述磁电响应仿生水凝胶，Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒的含量对凝胶内部电信号产生能力具有影响，但是Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒含量过多，纳米材料占据了大量的纤维网络，使得细胞的生存空间减少，细胞的粘附位点减少，从而不利于细胞增殖及分化。进一步地，Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒的含量优选为0.2～1％w/v。
[0012]本专利技术还提供了一种上述磁电响应仿生水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0013]将醛基化透明质酸溶解在磷酸盐缓冲盐水溶液中形成浓度为2～10％w/v的醛基化透明质酸溶液；将冻干胶原溶解于乙酸中形成胶原溶液，并在
‑
4～0℃条件下将胶原溶液pH调节至7.5，胶原溶液浓度为2～12mg/mL；将醛基化透明质酸溶液与胶原溶液按1：0.5～3的体积比例混合均匀，并添加并添加0～2％w/v的Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒后形成反应混合物；将反应混合物于37℃下孵育15～45min后，即得磁电响应仿生水凝胶。
[0014]上述磁电响应仿生水凝胶的制备方法，构建具有外部磁场响应的磁电复合凝胶，首先，将醛基化的透明质酸溶解于磷酸盐缓冲盐水溶液(PBS)中形成透明质酸溶液，之后利用乙酸将冻干胶原溶解形成胶原溶液，并在
‑
4～0℃下，将胶原溶液的pH值调至7.5左右。之后，将透明质酸溶液与胶原溶液进行按比例混合均匀。之后将磁电纳米颗粒在透明质酸和胶原混合溶液中均匀分散形成前驱体溶液，置于37℃环境下，保持15～45min，通过胶原在37℃下自组装，以及胶原分子中的氨基与透明质酸分子上的醛基进行酰胺化反应形成亚胺
键，此过程中前驱体溶液成胶，从而构建出具有双重交联网络的外部磁场响应的磁电复合仿生水凝胶。
[0015]上述磁电响应仿生水凝胶的制备方法，乙酸的浓度采用本领域常规浓度即可，在本专利技术的实施例中采用浓度为0.4M的乙酸。调节胶原溶液pH的碱采用本领域常本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁电响应仿生水凝胶，其特征在于：该水凝胶通过Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒与醛基化透明质酸溶液和胶原溶液的混合溶液孵育而成，所述Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒为表面修饰了BaTiO3壳层的Fe3O4纳米颗粒，所述水凝胶包含1～5％w/v的醛基化透明质酸、1～6％w/v的胶原以及0～2％w/v的Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒，Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒的含量不为0。2.根据权利要求1所述的磁电响应仿生水凝胶，其特征在于：所述水凝胶中，Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒的含量为0.2～1％w/v。3.一种权利要求1或2所述的磁电响应仿生水凝胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将醛基化透明质酸溶解在磷酸盐缓冲盐水溶液中形成浓度为2～10％w/v的醛基化透明质酸溶液；将冻干胶原溶解于乙酸中形成胶原溶液，并在
‑
4～0℃条件下将胶原溶液pH调节至7.5，胶原溶液浓度为2～12mg/ml；将醛基化透明质酸溶液与胶原溶液按1：0.5～3的体积比例混合均匀，并添加0～2％w/v的Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒后形成反应混合物；将反应混合物于37℃下孵育15～45min后，即得磁电响应仿生水凝胶。4.根据权利要求3所述的磁电响应仿生水凝胶的制备方法，其特征在于：所述Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：(1)制备磁性纳米颗粒将六水氯化铁0.675～2.025g、柠檬酸钠0.2～0.4g和醋酸铵1.927～5.781g溶解在乙二醇中，在连续搅拌的条件下，于170℃下反应1～2h至反应溶液颜色变为均匀的黑色；将反应溶液转移到反应容器中，加热至200～250℃并保温10～18h，反应结束后待反应溶液冷却至室温，收集反应产物并洗涤，得到磁性Fe3O4纳米颗粒，将Fe3O4纳米颗粒分散在乙醇中得到Fe3O4悬浮液，备用；(2)制备磁电纳米颗粒(21)制备Fe3O4@TiO2纳米颗粒将步骤(1)制得的浓度为5～10mg/mL的Fe3O4悬浮液5～10mL与乙醇80～90mL和乙腈10～50mL的混合溶剂均匀混合形成Fe3O4分散液，在搅拌条件下，向Fe3O4分散液中加入钛酸四丁酯0.5～2mL和氨水0.1～1mL并反应1.5～5h，反应结束后，收集反应产物并洗涤，得到表面修饰了一层TiO2的Fe3O4纳米颗粒，即Fe3O4@TiO2纳米颗粒，将Fe3O4@TiO2纳米颗粒分散在乙醇中得到Fe3O4@TiO2悬浮液，备用；(22)制备Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒将氢氧化钡0.1575～0.63g溶解在去离子水中形成氢氧化钡溶液；将步骤(21)制得的Fe3O4@TiO2悬浮液加入到氢氧化钡溶液中，在搅拌条件下加入氨水1～10mL形成反应混合物，将反应混合物转移到反应容器中，将反应容器加热至180～240℃并保温6～8h，反应结束后，收集反应产物并洗涤，即得Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒。5.根据权利要求3所述的磁电响应仿生水凝胶的制备方法，其特征在于：所述醛基化透明质酸的制备方法，包括以下步骤：将透明质酸钠1～4g溶解在去离子水中形成透明质酸钠溶液，向透明质酸钠溶液中滴加0.25～5mL的0.05～5M NaIO4溶液，于室温避光连续搅拌3～10h之后，添加1～5mL乙二醇再继续搅拌0.5～1.5h后使反应终止，将反应产物透析并冻干，得到醛基化透明质酸。6.一种可调细胞电学微环境磁电响应仿生水凝胶，其特征在于：该水凝胶通过Fe3O4@
BaTiO3纳米颗粒与醛基化透明质酸溶液和胶原溶液的混合溶液以及细胞孵育而成，所述Fe3O4@BaTiO3纳米颗粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：范红松，张雨生，陈素萍，吴承恒，卫丹，孙静，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：