一种可控孔径水凝胶海绵骨组织模型的构建制造技术

本发明专利技术公开了一种孔径大小可控的水凝胶海绵骨组织模型的构建方法

【技术实现步骤摘要】
一种可控孔径水凝胶海绵骨组织模型的构建


[0001]本专利技术涉及的是一种可控孔径水凝胶海绵骨组织模型的构建，属于类器官模型
，提供一种具有不同孔隙率的细胞支架，模拟骨细胞的三维体内微环境，具体涉及不同孔隙率水凝胶海绵支架制备和水凝胶海绵骨组织模型的构建
。

技术介绍

[0002]类器官模型构建近年来发展迅速，相比于传统的动物模型和孔板模型具有不可替代的优势，既可避免动物和人之间的种属差异性，又克服了孔板模型的细胞单一性，为细胞提供类似于体内的三维细胞微环境
。
人体骨组织是一种高度血管化且具有多孔结构的器官，是存储钙元素的重要器官，起到支撑的作用
。
目前骨相关疾病包括骨质疏松
、
关节炎
、
骨癌痛等，治疗药物有黄酮类
、
多甾体类药物等，而这些药物的筛选和毒理研究是一个巨大的工作量，因此，骨组织类器官模型的构建具有重要意义
。
[0003]水凝胶具有良好的生物相容性，可以为细胞提供细胞粘附位点，并能够提供类似于体内的微环境，使细胞保持正常的自身形态和生命活动
。
常用的水凝胶材料有明胶
、
海藻酸钠
、
琼脂糖
、
胶原蛋白等，在构建细胞水凝胶支架的研究中发现，不同水凝胶材料交联之后具有更加优良的特性，如更优良的机械性能和耐热性
。
胶原蛋白广泛存在于动物组织中，最为常见的是Ⅰ型胶原，具有良好的生物相容性，广泛应用于生物医学领域
。
明胶是胶原蛋白的水解产物，具有较低的抗原性和较好的相容性，可以促进细胞的粘附和软骨形成
。
另外，明胶可以与
MTG
酶
、
戊二醛交联，使明胶水凝胶的机械强度得以提高
。
海藻酸钠是一种天然多糖，可以和各种阳离子形成多种海藻酸盐水凝胶
。
复合水凝胶比单一的水凝胶性能上可以得到提升，例如海藻酸钠
/
明胶水凝胶的机械性能相对于单组分材料得到了增强
。
而明胶
/
壳聚糖复合水凝胶在耐热性能上得到了提升，且根据这一性能制备了多种结构的细胞支架水凝胶
。
[0004]作为骨组织的主要构成成分，羟基磷灰石
(HA)
是体外骨组织类器官的构建中必不可少的成分
。
结合微流控技术及水凝胶材料的优势，利用掺杂了羟基磷灰石的水凝胶制备的微流控芯片不仅有利于成骨细胞的增值，碱性磷酸酶
(ALP)
的表达也得以提高
。
因此，可将
HA
掺杂到水凝胶材料中，体外制备不同孔径的水凝胶海绵结构的骨组织模型
。
[0005]本专利中，提供了一种可控孔径水凝胶海绵骨组织模型的构建以及其在骨组织疾病模拟的应用技术
。
首先根据不同质量分数的凝胶材料制备了具有可控孔径的水凝胶海绵，并使得
HA
在水凝胶海绵中分布均匀，得到为细胞提供良好细胞微环境的细胞支架
。
该方法制备过程简单，条件易于控制，无需经过冻干操作即可进行细胞三维培养
。
并且将水凝胶海绵和明胶通道结合构建出水凝胶海绵骨组织模型，在骨疾病病理模型和药物筛选模型的构建方面具有重要的生物学意义
。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种简便可控孔径的水凝胶海绵骨组织模型的构建方法，用于模拟
人体骨组织的多孔结构，并且为细胞三维培养提供良好的微环境，以便为构建骨疾病病理模型和药物筛选模型研究提供一定的理论依据
。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008](1)
不同孔隙率明胶海绵的制备：称取一定质量梯度的明胶于
50mL
的烧杯中；随后加入
PBS
缓冲液
(pH
＝
7.2)
，水浴加热至
80℃
成明胶溶液，使用磁力搅拌器搅拌
3min
后，移取
10
％
(w/v)
的
mTG
酶溶液于烧杯中，继续搅拌至温度
37℃
，得到气泡明胶溶液，冷却后形成明胶海绵支架
。
[0009](2)
明胶海绵骨组织模型的制备：称取一定质量的明胶于
PBS
缓冲液中，水浴加热成明胶溶液后，加入
10
％
(w/v)
的
mTG
酶溶液，用移液枪移取明胶溶液于模具中冷却，形成凝胶；随后将
(1)
中的气泡明胶溶液与
HA
通过搅拌混合均匀，用移液枪移取于模具中冷却，形成明胶海绵；之后继续称取明胶于
PBS
缓冲液中，水浴加热成明胶溶液后，加入
10
％
(w/v)
的
mTG
酶溶液，温度降低至
37℃
，注入模具中将明胶海绵支架覆盖，最终形成水凝胶海绵骨组织模型
。
[0010]本专利技术目的之一为提供一种可控孔径的水凝胶海绵制作方法：
[0011](1)
构建水凝胶海绵的凝胶材料：胶原蛋白
、
明胶
、
海藻酸钠
、
琼脂糖
、
壳聚糖
、
粘多糖
、
糖蛋白
、
纤维蛋白原
、
蚕丝蛋白
。
[0012](2)
通过控制凝胶材料的质量分数可以有效控制水凝胶海绵的孔径大小，通过优选，明胶材料的质量分数范围：
0.5
％
‑
20.0
％；琼脂糖的质量分数范围：
1.0
％
‑
25.0
％；明胶
/
海藻酸钠海绵构建过程中，明胶的质量分数范围为：
0.5
％
‑
20.0
％，海藻酸钠的质量分数范围：
0.1
％
‑
5.0
％
。
[0013](3)
水凝胶海绵的固化方式：光固化
、
温度固化
、
化学交联
、
离子交联
。
[0014](4)
水凝胶海绵的交联剂包括
mTG
酶
、
戊二醛
、CaCl2、
柠檬酸钠
。
[0015](5)
通过搅拌的方法，
HA
可在水凝胶中混合均匀，通过优选，水凝胶海绵中
HA
质量分数范围：
0.1
‑
0.5
％
。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种简便且孔径可控的水凝胶海绵骨组织模型的制备方法，其特征在于：首先，明胶溶液经过快速搅拌后，可得到具有均匀孔径分布的明胶海绵
。
并且通过控制明胶溶液的质量分数，可以使得明胶海绵的孔径尺寸发生改变，进而使得明胶海绵的孔隙率发生改变，从而模拟人体不同部位不同孔隙率的结构
。
其次，将羟基磷灰石
(HA)
按照一定比例混合入明胶海绵中，可以模拟三维骨组织
。
最后，通过预聚合的方法将明胶海绵与模拟血管的通道结合起来，得到具有可控孔径的水凝胶海绵骨组织模型
。
为了达到上述目的，以明胶为例，该方法具有如下步骤：
(1)
不同孔隙率明胶海绵的制备：称取一定质量梯度的明胶于
50mL
的烧杯中；随后加入
PBS
缓冲液
(pH
＝
7.2)
，水浴加热至
80℃
成明胶溶液，使用磁力搅拌器搅拌
3min
后，移取
10
％
(w/v)
的
mTG
酶溶液于烧杯中，继续搅拌至温度
37℃
，得到气泡明胶溶液，冷却后形成明胶海绵支架
。(2)
明胶海绵骨组织模型的制备：称取一定质量的明胶于
PBS
缓冲液中，水浴加热成明胶溶液后，加入
10
％
(w/v)
的
mTG
酶溶液，用移液枪移取明胶溶液于模具中冷却，形成凝胶；随后将
(1)
中的气泡明胶溶液与
HA
通过搅拌混合均匀，用移液枪移取于模具中冷却，形成明胶海绵；之后继续称取明胶于
PBS
缓冲液中，水浴加热成明胶溶液后，加入
10
％
(w/v)
的
mTG
酶溶液，温度降低至
37℃
，注入模具中将明胶海绵支架覆盖，最终形成水凝胶海绵骨组织模型
。2.
根据权利要求1所述的水凝胶海绵骨组织模型的制备方法，其特征是：在步骤
(1)
的水凝胶海绵支架构造过程中，随着水凝胶材料质量分数的改变可以简便的控制明胶海绵支架的孔隙率以及孔隙大小，不同的水凝胶材料具有不同的质量分数范围，通过优选，明胶材料的质量分数范围：
0.5
％
‑
20.0
％；琼脂糖的质量分数范围：
1.0
％
‑
25.0
％；明胶
/
海藻酸钠海绵构建过程中，明胶的质量分数范围为：
0.5
％
‑
15.0
％，海藻酸钠的质量分数范围：
0.1
％
‑
5.0
％
。3.
根据权利要求1中
(1)
所述的方法，所用水凝胶的材料包括但不限于：胶原蛋白
、
明...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雪莹，陈超凡，张涵，方方，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：