[发明专利]一种中空管结构的多层水凝胶及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种中空管结构的多层水凝胶及其制备方法与应用。所述制备方法包括如下步骤：(1)制备含有水溶性二价阳离子盐的温敏凝胶芯；(2)将温敏凝胶芯浸泡于海藻酸钠水溶液中，经交联反应即在温敏凝胶芯的表面形成一层海藻酸盐凝胶；(3)将经步骤(2)处理后的温敏凝胶芯重复步骤(2)，即在温敏凝胶芯的表面形成多层海藻酸盐凝胶，去除温敏凝胶芯即得。本发明方法操作简单，制造快速，数分钟即可成型多达10层的水凝胶结构；所形成的中空管几何形态灵活，可分叉，可变直径，可变形状，主要取决于温敏凝胶芯的几何形态；制作过程所处理化环境柔和，对细胞无损伤，多层凝胶结构可支持细胞、大分子、小分子的装载，具有广阔应用前景。

技术领域

本发明涉及一种中空管结构的多层水凝胶及其制备方法与应用，属于材料科学和工程技术领域。

背景技术

水凝胶是一类以水为分散介质的凝胶，其中生物医用水凝胶是近年来的发展热点，被广泛用作药物、核酸、细菌、细胞等的载体。特别地，很多生物相容性水凝胶可以仿生细胞外基质的成分和结构，被用以贴附或包裹细胞进行仿生组织及器官的构建。基于细胞生长对水溶性环境的基本需求，水凝胶材料被认为是一类最主要的包裹细胞用的载体材料。

一直以来，组织及器官的损伤、缺失及功能障碍影响人类健康的重大问题，生物材料和再生医学的发展为病损组织及器官的修复提供了很多策略，比如组织工程支架、脱细胞支架及细胞三维打印等。不同技术手段在构建三维类组织模型上具有不同特点，从几何形态学上考虑，多层管状结构是组织及器官构建的一种常见的结构单元，广泛存在于体内的循环系统、呼吸系统、消化系统等生理系统中。比如，血管中存在内皮、平滑肌和成纤维细胞组成的三层结构，气管也分为黏膜、黏膜下层和外膜三层。

构建多层水凝胶管状结构对于生物医学领域，特别是组织及器官修复有着极其重要的意义，目前常用的构建方法可以分为一步成型和分步成型。一步成型指的是一次形成多层凝胶结构，典型的方法是通过多通道同轴喷头或微流控装置挤出分层形式的水溶胶材料，通过添加适当的交联剂使分层材料凝胶形成多层管状结构，比如在同轴喷头的芯通道挤出Ca²⁺溶液，在其他壳通道挤出海藻酸钠溶液，即可得到离子交联的海藻酸钙多层中空管。这种方法适用的水凝胶材料种类及管壁的数量较为有限，同时它无法形成分叉管网结构，对分叉血管的构建存在较大短板。分步成型指的是分步形成多层凝胶结构，最常见是分步浇筑法：比如分步将实心柱状模板放置于不同尺寸的柱状空腔中进行水凝胶的浇筑和交联，即可得到按照柱状空腔尺寸分布的多层凝胶结构(Soft Matter.2012；8(5):1643-7.)；还有研究者发明了复杂的三维分叉管模具，结合可溶性芯的使用，通过分步浇筑以期实现三维多层分叉血管支架的构建(CN106178130A)。这类浇筑法依赖于模具的设计，制造过程较为繁琐，由于水凝胶较差的力学性能，存在脱模困难以及成型尺寸的限制等难题。

水凝胶分步涂层法有望能实现多层管状结构的快速构建，研究者于2008年首次报道基于聚电解质涂层的多层凝胶膜结构(Nature.2008；452:76-9.)，2016年研究者报道了基于溶胀交联的水凝胶涂层方法(PNAS.2016；113(47):13295-300.)。大部分当前的水凝胶分步涂层法，在成型一层之后，需要补充交联剂或交联反应所需的组分再成型下一层，同时很多基于聚电解质的交联过程处于强酸或强碱条件并不适合活细胞的包裹。

发明内容

本发明的目的是提供一种中空管结构的多层水凝胶及其制备方法与应用，本发明利用交联剂在固-液界面可以进行扩散，从而激发交联反应的发生并形成凝胶层；交联剂被装载在固相(凝胶相)中，高分子材料溶解在液相(溶胶相)中，二者接触时，由于交联剂(某种小分子或离子)的扩散，使得固-液交界面形成一层明显的凝胶。

本发明所提供的中空管结构的多层水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备含有水溶性二价阳离子盐的温敏凝胶芯；