[发明专利]一种表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面图案化高强度高韧性杂化凝胶膜及其制备方法，属于功能材料和生物材料领域。

背景技术

近年来随着组织工程和再生医学的发展，有关材料表面改性和细胞粘附等方面的问题引起人们越来越多的关注。人体组织可被视为是细胞与细胞外基质的复合体，如果能够利用仿细胞外基质的新型生物材料构筑一定的类生命环境，并在其表面或内部培植细胞，这样我们就可以在体外利用仿生手段来研究机体内部重要的生命活动。要在体外构造细胞与生物材料的复合体，就必须了解细胞与生物材料相互作用方面的诸多基本科学问题，其中最关键的问题之一就是细胞在生物材料表面的粘附机制。在研究细胞粘附机制方面，生物材料表面的图案化处理使原本复杂的问题简单化，并为更深入地研究细胞粘附、迁移等活动机制提供了契机【孙建国，PEG水凝胶的金微图案化修饰及其表面细胞黏附行为的研究[D].复旦大学，2009】。此外，传统的细胞研究方式，比如在培养板上研究细胞，难以克服细胞迁移等问题，新发展起来的微图案技术则可以实现细胞定位，有助于研究细胞间接触等影响细胞生命活动的相关问题【唐键，微图案化表面的制备以及细胞间接触影响干细胞分化的研究[D].复旦大学，2010.】。因此，随着组织工程的不断发展，表面图案化技术越来越受到人们的关注，得到了广泛的应用。微图案化技术己经用于精确控制细胞的位置和形态(尤其是单细胞)以及多种细胞的共同培养，它己经搭建了一个在细胞水平上研究细胞-材料相互作用的平台。

高分子凝胶以良好的生物相容性引起了广泛的关注。高分子凝胶是由高分子三维网络与溶剂组成的多元体系，对环境刺激如温度、pH、电场、溶剂性质、光强度和光波长、压力、离子强度、离子密度和特殊的化学刺激(如糖)等，在宏观(体积)形状上产生巨大变化的聚合物网络。水凝胶的结构与体内的大分子基组分相近，是理想的细胞培养载体。但是大多数人造普通水凝胶的机械强度很差，容易变形，并且随着含水量的不同发生溶胀和消溶胀。例如一种明胶当吸水量是干凝胶重量的5倍时，其断裂拉伸强度大约是70KPa，断裂伸长率为10％。当吸水至40倍时，其断裂拉伸强度只有6KPa其断裂伸长率为11％。传统上提高水凝胶强度的方法主要集中在改善水凝胶的交联密度上，但是仅仅通过提高交联密度并不能从根本上提高水凝胶的强度，并且还会大大降低水凝胶的柔韧性，使水凝胶变得很脆。

制备图案化修饰的生物材料有很多方法，最常用的有光刻技术以及基于此的软刻技术。单纯的光刻技术成本高且用途有限，而软刻技术虽然大大地拓展了光刻技术的应用领域，但如果简单地套用到则面临着图案在水中的稳定性问题。现有的图案化技术大都针对硬基质或者硅橡胶等少数疏水性聚合物，而在性质接近人体大部分组织的软湿水凝胶表面构筑合适的微图案则存在技术困难，因为水凝胶韧性差，容易变形【刘鹏，材料表面微米-纳米杂合图案的制备技术研究[D].复旦大学，2009】。孙建国等使用了一种转移技术，巧妙地在PEG水凝胶聚合过程中实现了其表面的Au图案化修饰。【孙建国，唐键，丁建东，基于表面微图案化技术研究细胞取向[J].科学通报，2009，5410：1344-1349.】。朱道本等[18]将异丙基丙烯酰胺修饰到具有不同纳米尺度凹槽的硅基底表面，研究了改性表面的温度响应性【Reversible Switching between Superhydrophilicity and Superhydrophobicity.Surface Chemistry，2004，43：357-360】。但是上述方法步骤比较复杂，造价也高。因此，简单实用的水凝胶表面微图案化制备方法的建立具有重要意义。

美国哈佛大学的研究人员开发出了高弹性和高韧性的水凝胶，其成分是海藻酸盐和聚丙烯酰胺【Highly stretchable and tough hydrogels，Nature，2012，489(7414)：133-136】。这两种物质单独形成的水凝胶弹性和韧性都不大，但如果把它们按一定比例混合起来在水中聚合，会得到一种新型水凝胶。虽然新型水凝胶中约90％是水，但其弹性超强，可以拉伸到原有长度的20倍以上而不断，之后还能够自行恢复原状。它的韧性也很好，把一块这样的水凝胶掰断，需要耗费的能量与掰断一块天然橡胶差不多。这样弹性和韧性的水凝胶达到了替代软骨等组织的要求，能够用来制造相关医疗设备，比如可以用它来制造人造椎间盘。目前还没有在这类水凝胶表面构建微图案的报道。