一种局部变形程度可控的生物薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种局部变形程度可控的生物薄膜及其制备方法；其中生物薄膜，包括简单单元拓扑的生物塑料骨架和包裹在生物塑料骨架外部的水凝胶层；生物塑料骨架由不同曲率的圆弧和圆环组成，通过改变圆弧的曲率，在外力刺激环境下可实现调控圆弧控制的水凝胶层区域的变形程度；通过改变生物塑料骨架结构，实现生物薄膜不同区域的变形程度调控，工艺简单，操作便捷。并且，该薄膜可以在气液界面机械刺激下培养多层细胞，这为体外研究人体泡状结构组织(例如：肺泡，唾液腺泡)及药物开发筛选提供有力技术支持。供有力技术支持。

【技术实现步骤摘要】
一种局部变形程度可控的生物薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于生物制造
，具体涉及一种局部变形程度可控的生物薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前，大多数新开发的药物都是在动物模型上进行研究。然而，由于不同物种之间的生理差异，来自动物的研究数据并不一定适用于人类。迫切需要一种有效的体外器官模型进行研究来辅助参考评估动物模型产生的数据，这将有助于将来自动物的药物数据更好的转化为人类所用。
[0003]然而，在目前体外模型中，尤其在仿生人体泡状结构组织(例如，肺泡)模型中，大多使用多孔聚二甲基硅氧烷膜，用于在气液界面培养细胞。但是聚二甲基硅氧烷具有疏水性，不适合细胞培养。虽然聚二甲基硅氧烷可以通过预处理(例如，用细胞外基质蛋白包裹聚二甲基硅氧烷材料表面)来增强润湿性和细胞黏附性，但由于蛋白质易解离，导致细胞经常从聚二甲基硅氧烷膜表面脱落，不能很好进行后续应用。此外，聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酯膜也被用于模拟肺泡和芯片气道。但聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酯膜硬度较大，不能很好地模拟肺的动态呼吸，限制了其在模拟肺动态呼吸方面的应用。此外，人体肺泡组织的变形是多种多样的，体外模型应当模拟人体泡状结构多种多样的变形能力，即在一个平面上具有控制不同区域变形程度不同的能力。因此，迫切需要一种适合细胞培养的，可以调控平面局部变形程度，在气液界面培养细胞的生物薄膜。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种高生物相容性的复合材料结构调控局部变形程度的生物薄膜，用于气液界面细胞培养。本专利技术使用由生物塑料作为局部变形调控骨架，在生物塑料骨架上涂敷水凝胶涂层，制造具有控制局部变形能力，适合细胞培养，模拟生理组织硬度，并可以在气液界面培养细胞的生物薄膜。当生物薄膜受力外力刺激时，水凝胶层会按照对应生物塑料骨架的形状进行不同程度的变形。通过改变生物塑料骨架结构，可以实现整个水凝胶生物薄膜不同的变形能力。
[0005]一种局部变形程度可控的生物薄膜，包括水凝胶层以及包裹在所述水凝胶层内的生物塑料骨架；
[0006]所述生物塑料骨架包括多个半径不同的同心圆，相邻两个同心圆之间通过沿周向均匀设置的多个圆弧连接，且该多个圆弧的弯折方向相同。
[0007]上述生物薄膜结构中，多个同心圆之间的间距可以相同也可以不同。相邻两个同心圆之间共同限定出一个虚拟圆环，同一圆环或不同圆环内的圆弧的曲率或长度根据需要设定，可以相同，也可以不同；生物薄膜受到外力作用时，曲率或长度不同的圆弧对应区域的变形程度则不同；如此，通过改变特定圆弧的曲率或长度，可实现生物薄膜局部变形程度的可控。
[0008]水凝胶由于其特殊的结构和性能，具有和天然组织非常相似的生理学特性，因而非常适合细胞培养。可以通过改变水凝胶前驱体溶液的浓度、组分等方式调节水凝胶层的硬度，因此能够在体外环境中创造出与体内组织相近的细胞外基质硬度。另外，水凝胶层具有微纳米的孔隙的特性，可以实现膜透而不漏的性能。具体表现为，在膜上滴加液体，液体不会滴落。这是因为液体的表面张力与液体本身重力平衡，液体可以从膜上面穿透到膜下面，但是却不会从膜下方滴落。而细胞不会穿透水凝胶层，因此微米厚度的水凝胶层起到了支撑和隔绝的作用。这个特性实现了细胞气液界面培养，水凝胶层上方滴加细胞培养基，下方为空气。细胞在水凝胶层上从上方培养基中获取养分，下方与空气接触，这与生理组织中肺部等泡状结构组织环境相似，可以更加贴切模拟生理环境。
[0009]生物塑料骨架结构设置为多个半径不同的同心圆和每相邻两个同心圆之间设置的多个圆弧，每个圆弧的长度大于等于其对应两个同心圆的半径差，圆弧能在外力作用下伸直，使生物塑料骨架发生变形，圆弧长度或曲率不同，对应区域的变形程度也不同。将水凝胶层包裹在生物塑料骨架外部，水凝胶层能够为将生物塑料骨架软固定，而生物塑料骨架能够在受到外力作用时，为水凝胶层提供局部变形程度可控的基础，共同实现模拟肺部等泡状结构组织动态工作的状态。
[0010]作为优选，每个圆弧的两个端点与同心圆的圆心位于同一直线上。
[0011]作为优选，所述圆弧的长度大于等于其对应两个同心圆的半径差，当等于对应两个同心圆的半径差时，该圆弧为直线。
[0012]本专利技术的局部变形程度可控生物薄膜，将可变形生物塑料骨架嵌于水凝胶层内部，利用水凝胶的韧性以及生物塑料骨架的可变形特定，通过改变生物塑料骨架的结构，可以实现生物薄膜的局部变形程度可控。具体为，在外力作用下，生物塑料骨架上各同心圆并不发生太大变化，而圆弧则会由原始状态到将圆弧拉伸呈直线，使生物塑料骨架发生变形。因此，通过设置不同曲率或长度的圆弧，即可以实现不同曲率或长度的圆弧附近区域水凝胶层变形程度的不同，进而控制整个生物薄膜的局部变形程度。
[0013]作为优选，所述生物塑料骨架材料为聚乳酸、聚3
‑
羟基烷酸酯、聚ε
‑
己内酯、聚酯、脂肪族芳香族共聚酯、聚乙烯醇、二氧化碳共聚物中的至少一种。进一步优选为聚ε
‑
己内酯(聚己内酯)。
[0014]作为优选，所述水凝胶材料包括天然水凝胶和合成水凝胶中的至少一种。
[0015]作为优选，所述水凝胶材料为多糖、多肽、醇、丙烯酸等及其衍生物类(聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N
‑
聚代丙烯酰胺等)中的至少一种。
[0016]作为进一步优选，所述多糖为淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等及其衍生物类中的至少一种。
[0017]作为进一步优选，所述多肽为胶原(如甲基丙烯酰化明胶)、聚L
‑
赖氨酸、聚L
‑
谷胺酸等及其衍生物类中的至少一种。
[0018]作为具体优选，所述水凝胶材料为甲基丙烯酰化明胶(GelMA)。
[0019]作为优选，所述外力作用为机械刺激或气压驱动。
[0020]作为进一步优选，所述机械刺激即使用物体与生物薄膜表面中心接触并推动生物薄膜发生位移。
[0021]作为进一步优选，所述气压驱动即制造密闭腔室，在腔室内通入气体，驱动生物薄
膜膨胀。
[0022]一种上述任一项所述的局部变形程度可控的生物薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0023](1)通过浇注、静电纺丝、喷墨式3D打印、立体光刻、投影式光固化3D打印中的一种制备得到生物塑料骨架；
[0024](2)将水凝胶前驱体溶液通过浸涂、旋涂、狭缝涂覆、刮涂中的至少一种方法涂覆于生物塑料骨架外部并将其均匀包裹，后固化水凝胶形成所述生物薄膜。
[0025]作为优选，步骤(1)中，采用高分辨率静电纺丝技术3D打印生物塑料骨架。
[0026]作为优选，步骤(1)中，生物塑料骨架制备完成后，先进行消毒、清洗、干燥后，在进入步骤(2)。作为进一步优选，采用在75％酒精中浸泡的方式对生物塑料骨架进行消毒。
[0027]作为优选，步骤(2)中，通过旋涂的方式将水凝胶前驱体溶液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种局部变形程度可控的生物薄膜，其特征在于，包括水凝胶层以及包裹在所述水凝胶层内的生物塑料骨架；所述生物塑料骨架包括多个半径不同的同心圆，相邻两个同心圆之间通过沿周向均匀设置的多个圆弧连接，且该多个圆弧的弯折方向相同。2.根据权利要求1所述的局部变形程度可控的生物薄膜，其特征在于，所述生物塑料骨架材料为聚乳酸、聚3
‑
羟基烷酸酯、聚ε
‑
己内酯、聚酯、脂肪族芳香族共聚酯、聚乙烯醇、二氧化碳共聚物中的至少一种。3.根据权利要求1所述的局部变形程度可控的生物薄膜，其特征在于，所述水凝胶材料为多糖、多肽、醇、丙烯酸及其衍生物中的至少一种。4.根据权利要求3所述的局部变形程度可控的生物薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺永，李元戎，高庆，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：