模拟骨物理特征的肿瘤细胞三维培养支架及其制备与应用制造技术

本发明专利技术属于3D打印、工程生物材料领域，公开了一种模拟骨物理特征的肿瘤细胞三维培养支架及其制备与应用，该三维细胞培养支架包括具有孔隙的多层结构以及附着于多层结构表面的含氨基化合物；该多层结构是将聚乳酸材料利用3D打印得到的竖直方向存在多层累加的多层结构。本发明专利技术通过对细胞三维培养支架的结构、组成及其对应的制备方法整体工艺流程设计等进行改进，先通过3D打印制备得到的立体形状满足预先设计要求的聚乳酸支架初品，再修饰含氨基化合物，得到的支架与现有技术相比，在兼顾细胞培养的生物相容性的同时，有良好的模拟骨原位瘤和转移瘤细胞所面临的体内微环境的效果，可用于模拟骨物理特征。可用于模拟骨物理特征。可用于模拟骨物理特征。

【技术实现步骤摘要】
模拟骨物理特征的肿瘤细胞三维培养支架及其制备与应用


[0001]本专利技术属于3D打印、工程生物材料领域，更具体地，涉及一种模拟骨物理特征的肿瘤细胞三维培养支架及其制备与应用，能够用于模拟体内骨微环境。

技术介绍

[0002]细胞培养技术是细胞生物学研究中的常用技术，借此研究单个微环境线索对肿瘤发生和发展的具体影响。传统的细胞培养方法是将细胞接种在经过处理的聚苯乙烯二维表面上进行细胞培养，简称2D培养。尽管2D培养条件下的细胞生物学研究已取得大量成果，但2D培养下的细胞形态和功能与体内细胞有着一定差异(Nat.Biotechnol.,2014,32:760
‑
772)。2D环境无法满足细胞与细胞、细胞与胞外环境的相互作用。鉴于肿瘤在体内复杂的三维结构，创建合适的三维环境来接种细胞的3D细胞培养为模拟体内肿瘤微环境提供新的方法。
[0003]目前常用的3D细胞培养方法分为两种，细胞悬浮培养和三维支架培养。细胞悬浮培养是指在悬浮条件下细胞逐渐聚集，经过数天培养后形成一个直径数百微米的多细胞球状体。这种细胞培养方法能够模拟肿瘤体内的聚集状态，但是缺乏可靠、简单、标准化的检测方法，因此无法进行药物筛选(SLAS Discov.,2017；22(5):456
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472)。而三维支架培养则是将细胞培养在具有空间结构的支架上。目前，生物材料的使用可以在体外满足肿瘤的特定需求，例如微纳米结构、硬度、孔隙率、孔径大小等，实现体外研究肿瘤的发生发展机制(Nat.Rev.Mater.,2018,3:418
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430)。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种模拟骨物理特征的肿瘤细胞三维培养支架及其制备与应用，其中通过对细胞三维培养支架的结构、组成及其对应的制备方法整体工艺流程设计等进行改进，先通过3D打印制备得到具有孔隙的、竖直方向存在多层累加的聚乳酸支架初品(即，多层结构)，再修饰细胞黏附剂形成附着于该多层结构表面的含氨基化合物(例如，多巴胺修饰直接聚合在支架表面形成的一层薄层)，与现有技术相比，现有技术往往关注用于体内组织修复和再生的支架、并不涉及肿瘤细胞，而本专利技术支架由于主要是由聚乳酸多层结构及附着于该多层结构表面的含氨基化合物组成，是用于构建骨相关原位癌和转移癌的肿瘤细胞体外培养模型等体外肿瘤细胞培养场景，能够在兼顾细胞培养的生物相容性的同时，有良好的模拟骨原位瘤和转移瘤细胞所面临的体内微环境的效果，可用于模拟骨物理特征(并且，本专利技术中的支架由于自身特点，并不适用于体内组织修复或再生)。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种模拟骨物理特征的肿瘤细胞三维培养支架，其特征在于，该支架包括具有孔隙的多层结构以及附着于该多层结构表面的含氨基化合物；其中，所述多层结构是将聚乳酸材料利用3D打印并预留孔隙得到的竖直方向存在多层累加的多层结构，其中的每一层对应3D打印增材制造中的一层；所述含氨
基化合物是通过修饰附着在所述多层结构的表面。
[0006]作为本专利技术的进一步优选，所述多层结构中的每一层是由多条直线间隔相同距离在同一竖直高度的平面分布排列而成，相邻2层直线方向的夹角为0
‑
90度；
[0007]优选的，所述多层结构中的任意一层中任意一条直线的长度为5.0
‑
10.0mm，宽度为0.1
‑
1.0mm，高度为0.01
‑
0.1mm；任意一层中相邻2条直线的间隔为0.1
‑
2.0mm；相应的，所述多层结构的孔隙率为10.0～50.0％。
[0008]作为本专利技术的进一步优选，所述多层结构为2
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10层；所述聚乳酸材料为丝状聚乳酸材料，丝芯直径为1
‑
3mm。
[0009]作为本专利技术的进一步优选，所述含氨基化合物为聚多巴胺，所述修饰是将所述多层结构与多巴胺溶液孵育，多巴胺氧化聚合后即可形成聚多巴胺薄膜，黏附在所述多层结构的表面。
[0010]作为本专利技术的进一步优选，所述多巴胺溶液是将多巴胺溶解于pH值为8.5的Tris
‑
HCl溶液得到的。
[0011]按照本专利技术的另一方面，本专利技术提供了上述支架的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0012](1)将聚乳酸材料经3D打印成预先设计的多层结构，得到支架初品；
[0013](2)将所述步骤(1)得到的所述支架初品利用多巴胺溶液修饰，即可得到用于模拟体内骨微环境的三维细胞培养支架，该支架表面修饰有聚多巴胺薄膜。
[0014]作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(2)中利用多巴胺溶液修饰，具体是将多巴胺溶液与所述支架初品置于摇床中轻摇孵育以完成修饰。
[0015]按照本专利技术的又一方面，本专利技术提供了上述支架在模拟骨微环境条件下的体外肿瘤细胞培养中的应用。
[0016]作为本专利技术的进一步优选，是用于构建骨原位瘤或骨转移瘤细胞体外培养模型。
[0017]通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有细胞培养方法所采用的模型相比，本专利技术中的三维培养支架是在3D打印得到聚乳酸多层结构的基础上，进一步修饰含氨基化合物得到的，该支架具有与人体骨骼匹配的硬度，并且通过在3D打印过程中设计预留孔隙，能够使支架具有与人体骨骼匹配的孔隙率，从而使该支架自身能够模拟体内骨微环境，作为模拟肿瘤体内培养模型。含氨基化合物，例如多巴胺、赖氨酸等，具有广泛重复的残基基团，能够在特定pH条件下，在材料表面聚合形成薄膜从而提高材料表面的亲水性，增加生物相容性。以含氨基化合物为聚多巴胺为例(即，在支架表面修饰有聚多巴胺亲水薄膜)，本专利技术中的三维细胞培养支架，可以先由聚乳酸材料经计算机辅助3D打印、再经多巴胺溶液修饰而成。通过3D打印技术，可以以聚乳酸丝材为原料，制备得到的立体形状满足预先设计要求的聚乳酸支架初品(如不同孔径大小的三维多孔支架)，再利用多巴胺直接聚合在支架表面形成的一层薄层，得到最终的支架；该支架在兼顾细胞培养的生物相容性的同时，有良好的模拟骨原位瘤和转移瘤细胞所面临的体内微环境的效果，可用于模拟骨物理特征。本专利技术利用聚乳酸多层孔隙结构与含氨基化合物的配合，使得三维多孔支架既具有良好的生物相容性，又具有骨骼所需的孔隙率以及硬度；以后文实施例中所示例的Cross
‑
S型支架为例，其孔隙率为20.47％，经聚多巴胺表面修饰后的硬度为121.02
±
1.93MPa。
[0018]人体骨骼的孔隙大小为0.1mm
‑
0.5mm，孔隙率为10
‑
90％，其中松质骨的力学强度
为2
‑
20MPa，密质骨为100
‑
200MPa(不同区域的人体的成骨分密质骨、松质骨和软骨，拥有不同的硬度和孔隙率)，现有技术已有的2D培养使用玻片或组织培养聚苯乙烯(TCPS)来培养细胞本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟骨物理特征的肿瘤细胞三维培养支架，其特征在于，该支架包括具有孔隙的多层结构以及附着于该多层结构表面的含氨基化合物；其中，所述多层结构是将聚乳酸材料利用3D打印并预留孔隙得到的竖直方向存在多层累加的多层结构，其中的每一层对应3D打印增材制造中的一层；所述含氨基化合物是通过修饰附着在所述多层结构的表面。2.如权利要求1所述支架，其特征在于，所述多层结构中的每一层是由多条直线间隔相同距离在同一竖直高度的平面分布排列而成，相邻2层直线方向的夹角为0
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90度；优选的，所述多层结构中的任意一层中任意一条直线的长度为5.0
‑
10.0mm，宽度为0.1
‑
1.0mm，高度为0.01
‑
0.1mm；任意一层中相邻2条直线的间隔为0.1
‑
2.0mm；相应的，所述多层结构的孔隙率为10.0～50.0％。3.如权利要求1所述支架，其特征在于，所述多层结构为2
‑
10层；所述聚乳酸材料为丝状聚乳酸材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘熙秋，王美棱，汤睿智，徐念远，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：