[发明专利]一种制备可模拟体内ECM刚度微环境的水凝胶的方法和应用

说明书

本发明公开了一种制备可模拟体内ECM刚度微环境的水凝胶的方法和应用，该方法结合PEG及GelMA的特性，合成PEG‑GelMA复合水凝胶，通过调节各自比例，使复合水凝胶具有不同的弹性模量。该模型制备简单，经济可靠，可广泛应用于细胞对体内不同刚度微环境相应的体外研究，在细胞培养、肿瘤微环境和再生医学应用中具有较大潜力。

技术领域

本发明涉及细胞培养材料技术领域，尤其涉及一种制备可模拟体内ECM刚度微环境的水凝胶的方法和应用。

背景技术

细胞外基质(Extracellular matrix，ECM)是一种复杂的网状结构，是由多种细胞如成纤维细胞、脂肪细胞、干细胞等分泌，并经与细胞之间的相互作用产生，是组织和器官形成和发挥功能的基础。它不仅为细胞提供了必要的物理支架，而且为组织发育提供了所需的生化因子和物理微环境。ECM影响着细胞的行为和功能，与各种疾病的发生息息相关(例如癌症、纤维化等)。利用生物材料模拟微环境的物理性质，探索微环境物理因素对细胞的影响，对组织再生医学、疾病的治疗具有重要意义(Nat Rev Mol Cell Biol.2014,15(12):802-12)。

细胞微环境的物理特性包括刚度、形貌、粘附蛋白配体分布等。刚度，又称为弹性，是生物界面材料的重要特性之一，可以被细胞直接感知。不同弹性模量的生物基质不仅影响细胞铺展粘附，还能诱导细胞命运抉择(Science.2009,24(5935):1673-7)。如小模量(5kPa)的生物界面会诱导干细胞向神经细胞与脂肪细胞的分化，适中的(5-20kPa)模量诱导向肌细胞与软骨细胞分化，较大的(20kPa)模量利于向成骨细胞的分化(Cell,2006,126(4):677-89)。模拟体内微环境，制备不同刚度的生物材料模型，是研究刚度对细胞行为及功能的影响的必要前提。

由胶原蛋白、纤维蛋白、壳聚糖、海藻酸盐、明胶或透明质酸等天然材料合成的水凝胶，由于其良好的生物相容性以及具有天然细胞结合位点，而被广泛用于细胞，但它们的凝胶化过程及稳定性相对难以控制(Chem Rev.2001,101(7):1869–80)。合成聚合物可以在分子水平上根据分子量、嵌段结构和功能位点进行改造，其机械性能更容易调控、稳定性良好，被广泛应用于组织工程中。聚(乙二醇)(PEG)水凝胶在细胞培养和组织工程应用中很受欢迎，因为它们无毒并具有良好的水合作用。然而，细胞并不能粘附、重塑、或降解PEG水凝胶,PEG需要与RGD等生物分子联合使用，然而RGD的储存条件较为严格，且价格较为昂贵。(Acta Biomater.2021,128:42-59)。甲基丙烯酸酰化明胶(GelMA)源自变性胶原蛋白，可产生可酶降解、可光交联的水凝胶，细胞可以在其中降解、粘附和扩散。然而，GelMA水凝胶的稳定性较差(Biomaterials,2010,31(27):6941-51)。因此，亟需一种制备简单，经济可靠，可广泛应用于不同细胞、不同刚度微环境相应的体外细胞培养材料。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种制备可模拟体内ECM刚度微环境的水凝胶的方法，该方法对使用的材料及设备要求简单，制备方法快速简便，制备的水凝胶生物相容性好，是一种刚度范围广的生物材料界面；本发明的目的之二在于提供所述方法制备的水凝胶在促进THP-1细胞分化中的应用；本发明的目的之三在于提供所述方法制备的水凝胶在培养上皮细胞中的应用；本发明的目的之四在于提供所述方法制备的水凝胶在在培养肿瘤细胞或肿瘤相关间质/免疫细胞中的应用。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种制备可模拟体内ECM刚度微环境的水凝胶的方法，包含如下步骤：

将甲基丙烯酸酰化明胶GelMA溶液与聚乙二醇PEG溶液按体积比1：1混匀后，加入蓝光引发剂LAP，混合均匀后，滴于防黏板上，盖上硅烷偶联剂修饰双键的盖玻片，紫外照射使发生化学交联，即得所述可模拟体内ECM刚度的水凝胶。

本发明优选的，制得的水凝胶中，GelMA终浓度的质量体积分数为4％，PEG终浓度的质量体积分数为0.5％-30％。