[发明专利]具有微流通道的水凝胶及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有微流通道的水凝胶及其制备方法和应用，属于组织工程技术领域。

背景技术

具有微通道结构的水凝胶无论在制备功能性材料，还是在体外模拟和重建血管化组织中都可以起到非常重要的作用。通过在水凝胶中制作合适的微通道结构，从而可以模拟生物体中脉管系统(如血管、淋巴管、肾小管和植物导管)。这同时也是在体外模拟体内组织功能的基础。另外，水凝胶中的微通道也可以用来控制水凝胶局部的物理和化学性质。但是水凝胶是一类亲水性高分子材料，其独特的物理化学性质都决定了在水凝胶中构建所需的微通道结构异常困难。目前在水凝胶中构建微通道的方法主要有以下几种：

1)采用光聚合或光解聚的水凝胶，用双光子激光器引发水凝胶聚合或解聚，从而制备三维中空的微通道；但是这种方法所需技术门槛非常高，需要昂贵的仪器设备，其次采用的光化学方法不可避免的会对生物对象，如细胞活性产生影响，从而限制在生命科学领域的应用。

2)采用模具，待水凝胶在模具周围固化后，再移除模具，从而在水凝胶中制作出中空的微通道。目前使用的模具包括金属线、(糖)纤维和明胶等。但是金属线模具只能用来制作直线型通道结构，缺乏制作复杂结构的能力。(糖)纤维结构又过于复杂，缺乏可控性。而明胶等模具本身也是水凝胶，机械强度很差，操作起来很困难。

3)采用热键合，利用琼脂糖水凝胶预热融化的特性，将两块琼脂糖水凝胶加热融合(70℃)，加工出微通道结构。但是高于37℃的温度会伤害细胞，因此限制该方法在生命领域的应用。

4)采用离液剂键合，利用蛋白离液剂对蛋白的解离作用，将蛋白水凝胶键合在一起，同时保留通道结构。但是离液剂对细胞的损害也比较大，因此限制这种方法在生命领域的应用。

5)采用水凝胶微珠的组装，利用微珠与微珠之间的空隙起到通道的作用。但是这种模拟十分简陋，空隙的可控程度十分差。且对于含有细胞的水凝胶微珠，随着培养的进行，会形成整体的水凝胶块，而空隙则会消失。

发明内容

因此，本发明的目的是针对目前具有微流通道的水凝胶制备方法复杂、成本高、微流通道的结构不可控、对细胞有损害的不足，提供一种基于蛋白纤维生成的具有微流通道的水凝胶及其制备方法和应用，其基于蛋白纤维生成，并且微流通道的结构可控性强、可灌输、生物兼容性好、对细胞没有伤害。

针对上述目的，本发明的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种具有微流通道的水凝胶，包括水凝胶基底层和与其键合的水凝胶结构层，所述水凝胶结构层与水凝胶基底层键合的表面上设有微流凹槽，所述微流凹槽与所述水凝胶基底层共同形成供流体流通的微流通道，所述水凝胶结构层或水凝胶基底层背离键合的另一个表面上在对应于所述微流通道的两个端口的位置处分别设有穿孔以形成所述微流通道的通道入口和通道出口，所述水凝胶基底层和水凝胶结构层均由含有藻酸钠和纤维状蛋白的水凝胶制成，所述水凝胶中还含有碱土金属盐，所述水凝胶基底层和水凝胶结构层通过纤维状蛋白形成的蛋白纤维相键合。

优选地，所述纤维状蛋白为胶原蛋白、纤维蛋白原和蚕丝蛋白。

优选地，所述胶原蛋白为I型、II型、III型、V型、XI型、XXIV型和XXVI型胶原蛋白。

优选地，所述微流通道的宽为20～1000μm，高为20～1000μm，更为优选地，所述微流通道的宽为200～400μm，高为200～400μm。

优选地，所述水凝胶中还含有10％DMEM 10X，10％PBS 10X，5～15μL 1M NaOH和100～300μL去离子水。

另一方面，本发明提供一种具有微流通道的水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

1)将含有藻酸钠和纤维状蛋白的水凝胶预聚物通入预先制备好的第一模具上，所述第一模具上设有凸起，使纤维状蛋白固化成水凝胶，再将碱土金属盐水溶液加入固化的水凝胶表面，使藻酸钠固化交联，生成藻酸钠水凝胶，形成设有与第一模具上的凸起相适配的微流凹槽的水凝胶结构层，再将所述水凝胶结构层从第一模具中取出，优选地，所述碱土金属盐水溶液为氯化钙水溶液、氯化锶水溶液或氯化钡水溶液，更优选地，所述微流凹槽的宽为20～1000μm，高为20～1000μm；最优选地，所述微流凹槽的宽为200～400μm，高为200～400μm；

2)水凝胶基底层的制备：在预先制备好的第二模具上加上围栏，通入含有藻酸钠和纤维状蛋白的水凝胶预聚物，形成水凝胶基底层预聚物；