[发明专利]钙离子形状记忆水凝胶及其在人类间充质干细胞分化中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种具备形状记忆功能并可用于控制干细胞异向分化的高强度水凝胶的制备，具体为一种丙烯腈-丙烯酸共聚物(PAN-co-PAA)水凝胶的制备方法和应用，该水凝胶具有多重形状记忆效应，并可以独特地用来调节干细胞的分化行为。

背景技术

形状记忆水凝胶是形状记忆高分子中的一类，然而到目前为止，除了早期报道的含有长烷基侧链的聚乙烯醇和丙烯酸酯共聚物水凝胶的研究，其他具有形状记忆效应的水凝胶却鲜有报导。近期有文献报道，一种含有胶原末端的生物高分子水凝胶能够通过链端的缠结形成三重螺旋节点，进而使临时形状得以固定。然而，由于这一凝胶极差的力学性能(弹性模量为102-104Pa)在很大程度上限制了它的实际应用(Inomata K.,Terahama T.,Sekoguchi R.,et al.,Shape memory properties of polypeptide hydrogels having hydrophobic alkyl side chains,Polymer,2012,53:3281-3286)。文献报道典型水凝胶的断裂能在10-1-100J/m2。由于其高含水量导致的较差的机械性能，以及缺乏较强的分子间的相互作用，是限制形状记忆水凝胶发展的两个重要瓶颈。

相比于形状记忆高分子材料，由于水凝胶结构中含有大量水分子而造成的增塑作用和水合作用，使得水凝胶的Tg失去了原本的意义。典型的形状记忆水凝胶多为通过引入烷基侧链，经由温度诱导烷基侧链排列的有序—无序转变来实现形状记忆，但长烷基链的引入不可避免的会降低水凝胶的亲水性。因此，采用另一种简单有效的方法来实现水凝胶的形状记忆功能有重要的意义。近期，本课题组已经利用腈基对锌离子的响应性成功实现了水凝胶的形状记忆效应(Han Y.,Bai T.,Liu Y.,et al.,Zinc ion uniquely induced triple shape memory effect of dipole-dipole reinforced ultra-high strength hydrogels.Macromolecular Rapid Communications,2012,33:225-231)，此水凝胶是由丙烯腈和亲水性单体用一步法光引发聚合而成。该工作中利用腈基和锌离子的络合-解络合作用实现水凝胶的形状记忆功能。虽然这项工作为形状记忆水凝胶体系提供了新的机制，但是高浓度的锌离子却限制了该水凝胶的应用。

在研究组织重建和细胞的健康自我平衡过程中，干细胞扮演者重要的角色。因此，它们对自身的组织工程和再生医学发挥着重要的驱动力作用。通常来说，所有干细胞都具有自我再生和分化成不同类别细胞的功能。近期的研究结果表明影响干细胞分化行为的因素可以分为化学因素和物理因素两大类。化学因素包括荷尔蒙，生长因子以及一些可以调控干细胞生物活性的小分子物质。物理因素包括细胞外基质的硬度，孔隙大小以及表面的几何结构等。进一步的研究表明，干细胞可以通过感知周围环境的机械性能来调整自身的分化行为。然而，在一个具有复杂空间几何结构的组织工程支架中，分布在不同位置的干细胞所能感知的环境的力是不同的，因此干细胞的分化行为还会随生长位置的不同而各异，而这一点在组织工程中常常是被忽略的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以丙烯腈为主体的水凝胶，具体为丙烯腈和丙烯酸共聚物(PAN-co-PAM-co-PAMPS)，该共聚物除表现出水凝胶的固有特性，还具有很强的抗拉伸和抗压缩能力，钙离子刺激形状记忆功能。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

钙离子形状记忆水凝胶，由丙烯腈、丙烯酸和交联剂通过自由基聚合共聚而成，所述交联剂采用分子链两端带有碳碳双键的结构。

所述交联剂为N,N’-双(丙烯酰)胱胺。

制备上述钙离子形状记忆水凝胶的方法，按照下述步骤进行：

将丙烯腈、丙烯酸、交联剂和引发剂溶解在溶剂中，通过引发剂引发丙烯腈、丙烯酸和交联剂分子上的不饱和键，在绝氧的条件下通过自由基聚合反应制备出具有钙离子形状记忆水凝胶，所述交联剂采用分子链两端带有碳碳双键、分子链中间为聚乙二醇分子的主链结构。

所述交联剂为N,N’-双(丙烯酰)胱胺(BAC)。