[发明专利]一种表层包埋细胞的高强度水凝胶的制备方法

说明书

本发明提供了一种表层包埋细胞的高强度水凝胶的制备方法。为避免细胞在聚合过程中受损伤，首先在细胞表面包裹一层磷酸钙外壳。将硅酸钠、丙烯酰胺、交联剂和海藻酸钠溶解于水中得到铸膜液A，将包裹磷酸钙外壳的细胞分散到铸膜液A中得到铸膜液B。用刮膜棒在玻璃板上将混合溶液A刮成膜，然后在膜上面倒入混合溶液B，用刮膜棒刮平。紫外引发丙烯酰胺聚合，经过钙离子水溶液交联，葡萄糖酸‑δ‑内酯水溶液浸泡，葡萄糖酸‑δ‑内酯水解释放出H⁺，H⁺与硅酸钙反应，生成表面含介孔硅胶的硅酸钙，同时H⁺与磷酸钙反应将受保护的细胞释放出来。介孔硅胶与海藻酸钙和聚丙烯酰胺发生氢键作用，提高了水凝胶强度和在生理环境下的稳定性。

技术领域

本发明涉及一种表层包埋细胞的高强度水凝胶的制备方法，属于生物材料和组织工程领域。

背景技术

组织工程的三要素包括种子细胞、基质材料和调节因子。过去组织工程支架通常从材料学的角度设计，而不是从生物学角度考虑如何使植入材料整合重建组织，常因细胞利用率低、支架降解导致的纤维化、排异和炎性反应等因素达不到预期修复效果。天然生物材料来源广泛、无毒、生物相容性和生物可降解性良好，但是其加工提取困难、力学性能不佳，限制了其在组织工程中的应用。人工合成的无机材料化学性质稳定，生物相容性好，但降解速率慢，部分降解产物不易被机体吸收、力学性能差。人工合成的有机高分子材料降解可控，但是材料表面缺乏细胞识别信号，不利于细胞的特异性粘附和特异基因的激活。

水凝胶是一种类似于生命组织的高分子材料，高分子水凝胶是由高分子三维网络与水组成的多元体系，对于环境刺激会在形状上产生巨大变化的聚合物网络。水凝胶与许多组织和细胞外基质非常相似，表现出良好的生物相容性，放入体内不会引发排异反应，同时为营养物质运输和代谢废物的排出提供良好通道。水凝胶可作为永久损伤软组织的替代物，或作为细胞培养基质材料。Chaudhuri等将含有软骨细胞的水凝胶用于替代损伤软骨【Nature Materials，2017，16：1243-1251】。常江教授等制备了可注射的CaAlg/CaSiO₃@SiO₂复合水凝胶，该水凝胶可以促进大鼠骨髓间充质干细胞成骨分化【Acta Biomaterialia，2013，9(11)：9107-9117】。但是通常的水凝胶强度较低，限制了其进一步实际应用。

高强度水凝胶的研究近年来取得了重要进展。龚剑萍等提出“双层网络”水凝胶的思想，在形成高交联度的刚性第一层网络的凝胶基础上，其内部合成交联度较低的柔性第二层网络【Advanced Materials.2014，26：436-442】，这种水凝胶在保持高含水量的同时也具有高的强度，但是该双化学网络交联水凝胶制备过程比较复杂。2012年Nature期刊报道锁志刚等人用一步法制备了高弹性高韧性聚丙烯酰胺/海藻酸钙(PAM/CaAlg)双网络水凝胶【Nature，2012，489(7414)：133-136】。此水凝胶具有良好的生物相容性、优良的润滑性和耐磨性，可达到替代软骨组织的要求。Bakarich等用3D打印技术制备了纤维增强的PAM/CaAlg水凝胶人工关节软骨替代物【ACS Applied Materials&Interfaces，2014，6(18)：15998-16006】。周峰等开发了一种具有特殊力学性能的分子工程双交联水凝胶，利用铁离子-羧酸根配位键作为动态交联形式增强水凝胶的机械性能和自修复性能【AdvancedMaterials，2015，27(12)：2054-2059】。但是在生理环境下，上述双网络水凝胶中的交联离子会被释放出来，使凝胶的力学性能迅速下降。