[发明专利]一种复合水凝胶及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种复合水凝胶及其制备方法与应用，复合水凝胶由氧化魔芋葡甘聚糖和胶原蛋白组成，其体积比为0.2‑1:1。本发明所制水凝胶原材料系常温下提取的猪皮胶原，胶原蛋白与氧化魔芋葡甘聚糖通过西弗碱反应形成稳定的三维网络交联结构，其交联网络内部可根据需要添加一定的小分子活性物或者纳米粒子等，比单一的胶原网络结构更具有稳定性且更适于细胞立体生长，并能随细胞生长而降解最终形成类器官结构。本发明所制的复合水凝胶可实现建立体外三维肿瘤模型、组织修复水凝胶、药物筛选模型等方面的运用。所得复合水凝胶可应用于细胞的三维培养的支架，还可使细胞在低毒性的条件下实现立体生长，模拟细胞在器官中的存在状态。

技术领域

本发明是涉及水凝胶技术领域，具体地说，涉及一种复合水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

常见的细胞培养是在二维（2D）条件下进行的，易于操作并且成本较低。但是2D细胞培养物不能完全如实反映组织的基本生理学状况，改变了组织特定的立体构型、生化信号以及细胞间通讯。当要进一步确认在体外观察到的现象或机制时，通常采用方法是使用标准化的动物模型，但是在某些实验条件下，不适感或疼痛导致许多实验动物的免疫系统受到损害，从而难以准确模拟临床环境。为了创建更加符合生物学复杂性的细胞模型，细胞培养需要从2D培养切换到三维（3D）培养。3D培养往往有一个更加类似于体内的微环境，因此3D培养系统可以更好的模拟药物在体内的作用效果。大多数细胞生长的环境都离不开含有胶原蛋白的ECM支架。

目前常用的3D细胞培养基质包括胶原蛋白、藻酸盐、透明质酸和壳聚糖等。藻酸盐是从褐藻中提取的天然多糖家族，但其缺乏主要的整联蛋白结合位点，并且不与细胞上的整联蛋白相互作用，需要额外添加RGD（Arg-Gly-Asp）肽序列进行功能化，以允许ECM相互作用和信号传导。未经修饰的透明质酸水凝胶同样不支持整合素介导的细胞结合，需要将细胞粘附性RGD肽化学偶联到透明质酸基质上。壳聚糖是自然界天然高分子材料中唯一的阳离子聚合物，它提供功能性氨基和表面正电荷以促进细胞附着。用于体外研究的胶原蛋白通常来自牛的皮肤，大鼠尾巴和人的胎盘，在3D胶原蛋白支架中培养的癌细胞显示出与肿瘤的形态和基因表达的相似性。市面上目前上市的3D细胞培养的生产商主要包括TheWellBioscience、Merck、UPM、AMSBIO、Biogelx、Ferentis、Xylyx Bio、PromoCell、PeloBiotech、Advanced BioMatrix、Tebu-bio、Nanolive。按照产品的性能分为天然水凝胶和合成水凝胶，这一系列的水凝胶均可用于3D细胞培养。

胶原蛋白在水凝胶材料中属于天然高分子原料，它广泛分布于人体的骨骼和肌肤中，胶原蛋白因其特有的三股螺旋结构以及含有的天然保湿因子能支撑细胞等在材料内部三维自由生长，此外胶原蛋白的降解产物，一些小分子氨基酸、多肽等营养物质为细胞生长创造了优良的生长环境，使得细胞间黏附更加紧密、增强细胞活力。魔芋葡甘聚糖属于天然多糖是人体第七营养纤维素，可以为细胞生长过程中提供能量。魔芋葡甘聚糖分子内部含有大量亲水基团特别的在溶液状态下它是一种假塑体可建立大分子网络结构，低温下成液态，常温和其以上温度成半凝固状态或固态。