[发明专利]用于细胞培养和生物医学应用的水凝胶

说明书

本文描述用于细胞培养和生物医学应用的结冷胶水凝胶的制备和应用，包括2D涂层培养、3D细胞培养和注射。用于这种应用的结冷胶材料包括水溶性低酰基结冷胶、高酰基结冷胶、改性的结冷胶、以及混合其他化学/生物分子的结冷胶混合物。

要求优先权

本申请要求2017年4月10日提交的美国申请62/483,831的优先权，其全部内容通过引用全部合并于此。

技术领域

本发明的实施方案的领域涉及水凝胶在细胞培养和各种其他生物医学应用中的用途。更具体地，本发明的实施方案涉及用于细胞培养和生物医学应用的结冷胶水凝胶的制备和应用，包括但不限于2D涂层培养、3D细胞培养和注射。

背景技术

人们越来越认识到2D细胞培养缺乏预测许多不同相互作用细胞类型的生物体系的复杂行为以及繁殖组织的解剖学或生理学以进行有益或有用研究的能力。3D细胞培养模型可以更准确地表示活生物体中细胞所经历的自然环境，从而使细胞间相互作用具有更逼真的生化和生理反应。在3D细胞培养中，细胞的行为和反应就像体内对内部和外部刺激的反应一样，例如温度、pH、营养吸收、转运和分化的变化。因此，在药物筛选、组织工程、临床前研究、细胞治疗和基础细胞生物学研究领域，科学家将其注意力从2D细胞培养转移到3D细胞培养。

要模拟体内细胞生长条件，应将3D支架的网状结构序列化，具有高水含量并具有许多其他所需特性，例如准确的3D空间支撑、合适的机械强度以及氧气、养分的便捷运输、浪费和可溶因素。优选用于溶胶-凝胶转化的温和且细胞相容的条件，以确保细胞在细胞包封和分离过程中舒适地存活。此外，用于3D细胞培养的生物材料的可注射特性对于下游应用至关重要，例如癌症治疗(用于药物发现的静电复印研究)、组织再生和3D生物打印。

市场上用于3D细胞培养的当前材料可以分为水凝胶、聚合物基质、悬挂滴板、低粘附力板、微图案表面和磁悬浮。水凝胶支架已被证明是迄今为止促进3D细胞培养的最有希望的方法。然而，大多数现有的用于3D细胞培养的生物材料(包括水凝胶支架)仅限于生理条件(例如脚手架结构不良、有害的生长因子以及不良的pH或预凝胶溶液温度)、复杂的细胞封装操作步骤、难以从培养支架中分离细胞以及产品可再现性。另外，在当前市售的水凝胶材料中，诸如剪切稀化和物理强度的快速恢复之类的可注射性质非常罕见。该缺点不仅影响从这些3D细胞培养技术生成的数据，而且限制了该技术在下游分析和临床应用中的应用。

相关技术例子如下所述：

美国专利申请第2008/0220526号涉及用于细胞培养表面的涂层。更具体地说，本发明涉及用于细胞培养表面的涂料，该涂料衍生自或包含树胶，包括天然树胶、植物树胶、半乳甘露聚糖树胶或其衍生物。本发明还涉及具有这种涂层的制品(例如细胞培养皿和实验室器皿)、将这些涂层施加到细胞培养表面的方法以及使用涂覆的细胞培养容器的方法。

美国专利号9,579,417涉及细胞粘附性结冷胶海绵状水凝胶，其能够捕获/包封在细胞内扩散的贴壁细胞，保持其表型并保持存活和增殖。用于获得这些材料的方法包括水凝胶制备、冷冻、冻干和用盐溶液重新水合，所述盐溶液具有细胞并且具有/不具有生物活性分子。没有使用如用于其他水凝胶的具有细胞粘附特征的海绵状水凝胶的功能化之前和/或之后。这些材料在水凝胶中未观察到的细胞粘附特性，部分是由它们在海绵和水凝胶之间的物理特性所解释，与前体水凝胶不同。主要不同的物理性质是形态、微观结构、水含量和机械性能。结冷胶海绵状水凝胶的物理性质和生物学性能可以通过控制涉及海绵状水凝胶形成的参数来调节。生物活性分子也可以在有或没有细胞的情况下被包埋，以改变海绵状水凝胶的生物学性能。这些材料可用于生物工程、组织工程、再生医学和生物医学应用。