[发明专利]一种核-壳结构的制备方法

说明书

本发明涉及一种可用于生物打印(例如3D生物打印)和组织工程的生物砖，核‑壳结构的制备方法，包括以下步骤：a)提供疏水表面，优选超疏水表面；b)将芯材溶液滴至步骤a)的疏水表面，形成液滴，以获得最内侧的核层结构；c)任选地，将芯材溶液滴至形成的液滴表面，以获得另一核层结构；d)任选地，将壁材溶液滴至形成的液滴表面，以获得壳层结构；e)任选地，重复步骤c)和/或步骤d)一次或更多次或者交替进行步骤c)和步骤d)一次或更多次；f)将壁材溶液滴至形成的液滴表面，以获得最外侧的壳层结构；其中，每一核层或壳层包含的芯材或壁材的选择是各自独立的。

技术领域

本发明涉及生物医学、材料学、生物打印(例如3D生物打印)、组织工程学等技术领域。特别地，本发明涉及一种核-壳结构的制备方法，该核-壳结构可用于递送活性物质、或用于生物打印(例如3D生物打印)和组织工程。

背景技术

核-壳结构是指利用成膜材料将固体、液体或气体包囊于其中，形成直径几十微米至上千微米的微小容器，其用于形成核层的物料称为芯材(或称为囊心物质)，用于形成外部包囊的壳层(壁膜)的物料称为壁材(或称为包囊材料)。

目前核-壳结构的主要制备方法按照造粒原理可以分为化学法、物理法和物理化学法。化学法建立在化学反应基础上，主要利用单体小分子发生聚合反应生成高分子或膜材料并将芯材包覆，其主要包括界面聚合法、原位聚合法、锐孔法等。物理法指通过机械力将高分子包覆在芯材物质上，主要包括喷雾干燥法、喷雾凝冻法、空气悬浮法、静电结合法、挤压法等。物理化学法是通过改变温度、pH值、加入电解质等，使溶解状态的成膜材料从溶液中聚沉，并将芯材包覆形成核-壳结构，其主要包括水相分离法、油相分离法、熔化分散冷凝法等。

现有技术中最常使用的是锐孔法。锐孔法通常将芯材物质和高聚物壁材溶解在同一溶液中；然后，借助于滴管或注射器等微孔装置，将此溶液滴到固化剂中；高聚物在固化剂中迅速固化从而形成核-壳结构。最常见的制备核-壳结构的自动化仪器一般基于振动原理和锐孔法，其在液滴喷射阶段通过施加一定频率、一定振幅的正弦波于喷嘴或射流，使射流破碎成液滴，滴入固化剂中，形成核-壳结构。

现有的设备制备核-壳结构时，通常需要借助单独的振动装置进行分液、以将核材料制成预设的粒径大小。对于自身不易成球型的核材料，则需要将分液后的核材料人工倒入至盛装有固化剂的容器内，借助固化剂将核材料良好、均匀地固化成球状，再将固化成球状后的核材料人工倒入至壳溶液中进行包裹形成核-壳结构。整个制备过程复杂繁琐，并且通过振动法对核材料进行分液的过程难以兼顾细胞粒径和活性，尤其体现在制备微小粒径的核材料时，通常需要施加更高的振动频率和振幅，而这样的方式会大大影响细胞活性。

具体地，现有技术还存在以下不足之处：

(1)现有的制备核-壳结构的方法通常需要借助固化剂使得液滴凝固成型。这种方式制备的壳层形成情况不可预期。由于有些固化剂具有一定的毒性，若采用上述方式制备包含细胞的核-壳结构，含有毒性的物质对细胞活性的影响较大，这样就限制了核-壳结构的材料选择范围。

(2)现有的基于锐孔法的制备仪器，通常是采用振动法或电压脉冲法来进行分液。为使得液滴直径更小，通常需要施加更高的振动频率和振幅，这同时也会大大影响细胞活性，从而难以兼顾细胞液滴粒径和细胞活性。

(3)核、壳的尺寸控制不精确。现有的制备方法及其装置只能依靠核、壳自发的化学反应制备成型，不能精确控制最终制得的核壳结构尺寸，不能控制核、壳各自的厚度，重复性差，即难以实现核、壳的尺寸的按需单独控制和调整。

(4)在采用温敏性材料制备核-壳结构的过程中，由于通常采用手动滴液的方式，难以保证多次、重复分量滴定过程的精准性，所制得的核-壳结构制备精度低，尺寸误差大，并且难以制得多层壳、尤其是具有多层厚度不同的壳的核-壳结构。

(6)采用锐孔法制备核-壳结构时，对于一些主要含极性分子的温敏材料，在制备时对于液滴的成型过程和分次滴定的包裹效率不能保证，限制了自动化高效率的制备。