[发明专利]一步法连续制备海藻酸钙微凝胶的微流控技术

说明书

本发明是基于微流液滴技术实现一步法连续制备可固载生物活性物质、多腔室海藻酸钙微凝胶，能够实现高通量，连续生产微凝胶材料。首先利用微流通道中不同水凝胶预聚体溶液可以形成平行的、稳定流场，从而将构成微凝胶不同腔室的水凝胶预聚体溶液注入微流芯片形成多相平行流体的水相溶液，随后通过T型通道或流体聚焦设计的微流通道将其与不共混的流体(油相)混合，形成油包水乳液液滴，液滴形成后立即引发液滴中海藻酸的交联，实现多腔室微凝胶制备；随后通过在微流芯片上实现乳液液滴的清洗，从而使微凝胶被快速的运送到水相中，实现一步法制备固载有生物活性物质的海藻酸钙微凝胶，尤其适于产业化应用。

技术领域

本发明属于材料微加工领域、生物材料制备技术领域、组织工程和细胞治疗领域，特别涉及一种利用微流控装置制备包埋固载活体细胞或生物活性分子药物的微凝胶。

背景技术

近年来，水凝胶在许多生物医学领域都得以广泛应用，尤其是在组织工程领域，水凝胶已经成为非常重要的生物材料。水凝胶是由不溶于水但却能被水溶胀的高分子组成的交联网络，与人体组织器官类似，是由富含水的多孔网络构成，这样的多孔结构类似人体的组织器官，非常利于物质有效交换。同时，有些由天然高分子组成的水凝胶具有良好的生物相容性和生物可降解性，以及和人体组织近似的机械性能，因此，其可作为组织工程支架材料支持细胞的生长和组织再生。水凝胶材料中的一个分支是由生物大分子预聚体组成，其具有良好的生物相容性，凝胶化条件温和，因而这类材料被广泛用于细胞的三维包封。其中，许多天然高分子材料包括胶原蛋白，纤维蛋白，或者海藻酸盐等均属于此类材，被大量地用于细胞的包埋。虽然，水凝胶作为生物医用材料，在组织工程领域被大量研究和使用，但是传统水凝胶包埋细胞技术在组织工程应用中仍存在诸亟需解决的问题：1)块体水凝胶尺寸较大(1cm)，高分子网络孔径尺度在纳米级，生物大分子由于扩散速率和距离低，因此包埋于块体凝胶中的活体细胞由于营养物质和代谢产物交换效率低而存活率下降；2)水凝胶作为生物活性物质递释的载体不具备可注射性，只能进行块体植入，而不能利用微创介入方式进行植入；3)块体水凝胶用于大分子或细胞包埋过程中，难以保证载荷物质在凝胶体系中均匀分布。相反，使用微米尺度的微凝胶作为生物活性物质的载体为解决上述问题提供了有效方案。因为微凝胶尺度小，有利于物质快速扩散，包封于其中的细胞能与外界的营养成分、信号因子和排泄物等都能够实现有效的交换。同时，微凝胶颗粒可以直接注射，为活性大分子药物和活体细胞的直接静脉注射移植提供了有效的途径。因此，实现载细胞微凝胶的高通量制备将有利于推进组织工程和细胞治疗技术的发展和临床应用。

乳液技术被广泛用于制备包封生物活性物质(如生物活性大分子药物或者活体细胞)的微凝胶。该方法通常利用水油两相不共混流体在剪切力作用下形成分散相和连续相。典型的制备方法是：首先，将生物活性物质(例如生物活性大分子或活体细胞)分散在水凝胶的预聚体水溶液中，该水溶液与连续的油相共混可形成油包水的单乳液，随后诱发聚合或交联反应使液滴内的水凝胶预聚体凝胶化得到固化的微凝胶。这些传统的乳液法存在以下问题：1)活体细胞需要长时间的分散在分散的微乳中，细胞无法和液滴外的进行营养物质和气体的交换，因此细胞的代谢活力逐渐减弱，长时间处于乳液中会造成细胞活性的降低；2)为形成稳定的乳液，往往需要在油相或水相中加入表面活性剂，而表面活性剂往往会破坏细胞膜而产生细胞毒性，因此细胞长时间接触表面活性剂也存在潜在的细胞毒性问题；3)为引发水凝胶的聚合或交联通常需要使用有细胞毒性的交联剂或交联反应引发剂，而细胞长期接触这些成分同样存在细胞毒性的问题。因此，传统的乳液法制备细胞固载微凝胶技术难以维持细胞的高存活率和细胞的代谢活性，并且需要在固载后进行额外的费时费力的油相清洗的工作，因此无法用于产业化连续加工。

近期涌现出一批可用于细胞固载的微加工技术，包括光刻蚀技术、微模板技术、乳液技术等，都存在如何维持固载细胞存活率的问题，因此难于真正用于细胞固载微凝胶的产业规模化生产。而且，这些传统技术都是基于批量化的生产工艺，无法实现高通量的连续制备，且批次间产品性能存在差异。