[发明专利]一种壳聚糖水凝胶及其制备方法

说明书

本申请公开了一种壳聚糖水凝胶的制备方法及由该方法制备的壳聚糖水凝胶。该方法至少包括以下步骤：(1)获得甲基丙烯酰化壳聚糖；(2)将所述甲基丙烯酰化壳聚糖溶解于细胞培养基中，并在水浴条件下加热，即得所述壳聚糖水凝胶；(3)向步骤(2)所得的壳聚糖水凝胶施加压力，通过压缩凝胶结构使壳聚糖水凝胶获得弹性。该凝胶制备过程中无需添加其它化学物质，因而具有优异的细胞相容性，细胞存活率高达95％以上，可以应用于3D打印生物墨水。

技术领域

本发明属于高分子技术领域，具体来讲，涉及一种壳聚糖水凝胶的制备方法。

背景技术

高分子水凝胶是由化学或物理交联的亲水性高分子链形成的三维聚合物网络，因其类似细胞外基质结构，在组织工程支架方面具有潜在应用价值。然而，目前生物相容性的高分子水凝胶普遍力学强度低，结构脆弱易碎，大大地限制了其应用。为了克服凝胶机械性能的缺陷,人们设计并合成了多种多样的具有新型网络结构的水凝胶。代表性的思路有建立双网络结构，以“活动交联点”代替共价交联点、以纳米颗粒为巨型多功能交联点或者引入“牺牲键”、非共价作用和超分子自组装等作用吸收能量、减少因共价键不均匀分布而导致的应力集中和网络结构破坏,从而提高凝胶的强度和韧性。比如，陈强等(CN103739861A)通过加热溶解，光照、pH等刺激引发聚合交联制备了一种高强韧性的双网络水凝胶，其拉伸强度为0.6-1.2MPa，拉伸模量为100-200KPa，拉伸应变达到1000-2680％。马晓梅等(CN104710583A)通过分散蒙脱土至壳聚糖/甲基丙烯酸混合水溶液，再引发制备了一种断裂伸长率超3000％的高强度水凝胶。以上技术方法中所获得的高强度水凝胶，除了使用天然高分子，往往还需要添加丙烯酰胺、N,N'-二甲基丙烯酰胺、丙烯酸及其盐、甲基丙烯酸及其盐、甲基丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸月桂酸酯等成份，这些化学成份在引发、聚合以及交联过程前后会对细胞培养产生毒性。因此，如何避免使用上述化学成份，仅利用天然高分子制备高弹性水凝胶，从而彻底解决细胞培养过程中化学物质和聚合条件所带来的细胞毒性问题。

壳聚糖及其衍生物作为天然多糖，具有无味、无臭、无毒和抗菌等优异性能，广泛用于制备细胞培养水凝胶支架。考虑到细胞培养营养液含有多种氨基酸、蛋白质分子，这些分子存在大量的氨基、羧基等基团，那么，是否可以利用营养液分子作为交联剂，在合适的温度、压力环境下实现壳聚糖凝胶化，并制备具有高弹性壳聚糖水凝胶。

发明内容

针对现有水凝胶力学强度存在的不足以及对细胞培养环境的分析，本发明在细胞培养液体系中制备了一种高弹性壳聚糖水凝胶。该凝胶制备过程中无需添加其它化学物质，因而具有优异的细胞相容性。

本发明的一方面提供了一种壳聚糖水凝胶的制备方法，该方法至少包括以下步骤：

(1)获得甲基丙烯酰化壳聚糖；

(2)将所述甲基丙烯酰化壳聚糖溶解于细胞培养基中，并在水浴条件下加热，即得所述壳聚糖水凝胶；

(3)向步骤(2)所得的壳聚糖水凝胶施加压力，通过压缩凝胶结构使壳聚糖水凝胶获得弹性。

在优选的实施方式中，所述步骤(1)包括：

步骤1：将壳聚糖溶于乙酸水溶液，获得质量体积浓度为0.5～1.5％的壳聚糖溶液；

步骤2：按所述壳聚糖溶液体积的0.01～0.02％加入甲基丙烯酸酐，得到改性的壳聚糖溶液；

步骤3：对所述改性的壳聚糖溶液进行透析，得到所述甲基丙烯酰化壳聚糖。

在优选的实施方式中，所述步骤2包括：在加入所述甲基丙烯酸酐前将所述壳聚糖溶液加热至60～65℃。

在优选的实施方式中，所述步骤3包括：在透析前调节所述改性的壳聚糖溶液pH至pH6.0～7.0。