一种颗粒凝胶复合支架及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种颗粒凝胶复合支架及其制备方法和应用。该制备方法包括以下步骤：1)将一定体积分数的水凝胶颗粒加入至胶原蛋白溶液中，得到颗粒凝胶；2)将颗粒凝胶pH值调节至生理条件，并加入功能细胞形成共混物；3)将上述共混物转移至模板中或采用3D打印得到颗粒凝胶复合支架。该复合支架以颗粒凝胶为主要基质，包埋功能细胞，具有生物相容性好、抗收缩、模量可调等优点，可应用于3D打印或模具法的组织工程皮肤构建。织工程皮肤构建。

【技术实现步骤摘要】
一种颗粒凝胶复合支架及其制备方法和应用
[0001]本专利技术是申请日为2021年11月18日，申请号为202111367445.X，专利技术名称为一种用于组织工程皮肤的颗粒凝胶复合支架及其制备方法的分案申请。


[0002]本专利技术属于生物材料及组织工程学
，具体涉及一种用于组织工程皮肤的颗粒凝胶复合支架及其制备方法。

技术介绍

[0003]组织工程皮肤是指将培养的功能细胞与细胞外基质及支架材料互相作用制成的一种具有生物活性的人工皮肤。将不同类型的细胞组成的皮肤细胞系统，可以模拟真实皮肤对外界环境的反应，从而预测这种敏感器官的感应行为。近年来，随着动物实验的替代(Replacement)、减少(Reduction)、优化(Refinement)原则即3R原则的提出以及全球相关法规的推进，与皮肤相关的动物实验逐渐被组织工程皮肤所替代。为突破由此造成的相关专利壁垒，迫切需要发展组织工程皮肤的相关技术。
[0004]构建组织工程皮肤一般需要支架、细胞与生长因子等。其中，支架材料是构建组织工程皮肤的关键，其既要能有效地支撑细胞，又要能促进细胞外基质(ECM)的分泌以形成皮肤组织。由于人体皮肤ECM中含有丰富的I型胶原和III胶原，因此，胶原蛋白一直是组织工程皮肤支架构建的主要材料。但是，胶原支架的一个主要缺点是在培养过程中易受成纤维细胞介导而收缩，导致无法塑形、表皮层脱附等严重问题，妨碍了组织工程皮肤的批量化构建；此外，支架的收缩还会对其作为皮肤移植物时的功效和植入成功率造成不良影响。基于此，研究者开发了一些物理和化学交联的方法以降低胶原支架的收缩率。然而，由于大多数交联剂(如戊二醛、1
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(3
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二甲氨基丙基)
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乙基碳二亚胺盐酸盐等)细胞毒性较大，故需要在接种细胞之前对支架材料进行交联。这些方法还需要额外的清洗步骤，无法保证细胞在支架材料中的均一分布；更为重要的是，这些交联剂的使用会干扰胶原纤维的组装过程，对胶原支架的生理活性造成影响。例如专利CN102836462A即公开了将胶原蛋白与壳聚糖复配后，加入戊二醛进行交联，制备组织工程皮肤，该皮肤机械强度不高，且会收缩，不利于功能细胞的充分生长和分化。
[0005]颗粒凝胶是指由高体积分数水凝胶颗粒构成的一类新型黏弹性材料，它不仅具备常规水凝胶含水量高、生物相容性好的特点，还具有剪切稀化、自愈合、可打印等特征。最近，以颗粒凝胶为细胞载体，实现了软骨和心肌梗塞的修复，骨关节炎的治疗等。但是，颗粒凝胶在组织工程皮肤构建中的应用尚未见报道。将颗粒凝胶与传统胶原基质结合，有望获得一种兼具生物相容性、抗收缩性和打印性等诸多优势的新型复合支架材料，可以作为现有组织工程皮肤构建技术的重要补充。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是制备一种可用于组织工程皮肤构建的颗粒凝胶复合支架，具有抗
收缩、生物相容性好、打印性好、有足够强度的特点。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0008]一种用于组织工程皮肤的颗粒凝胶复合支架的制备方法，包括以下步骤：
[0009]1)将一定体积分数的水凝胶颗粒加入至胶原蛋白溶液中，得到颗粒凝胶；
[0010]2)将颗粒凝胶pH值调节至生理条件，并加入功能细胞，得到共混物；
[0011]3)将上述共混物转移至模板中或3D打印得到颗粒凝胶复合支架。
[0012]本专利技术用于组织工程皮肤应用的复合支架材料是以一定体积分数的水凝胶颗粒和胶原蛋白预凝胶为主要基质，包埋功能细胞，在37℃下胶原发生自交联而形成。其中水凝胶颗粒选用天然生物相容性材料，无明显细胞毒性，结合胶原蛋白可适用于不同功能细胞的共培养，保证了细胞在三维空间的动态变化过程，更有利于细胞在体外进行长期、高效、稳定的培养。此外，通过水凝胶颗粒的嵌入提高了整体支架的机械性能，其中支架强度可以通过水凝胶颗粒的大小和体积分数来进行调节。同时，由于水凝胶颗粒体积分数占比大，水凝胶颗粒之间会形成阻塞(Jamming)效应，形成颗粒凝胶；因此，该支架材料兼具颗粒凝胶的特性，如剪切稀化、自愈合、可打印等优点。
[0013]该支架的制备过程简单，不干扰胶原纤维的组装过程，最大程度地保留了胶原水凝胶的理化特性和生物活性；并且，该支架材料还具有独特的抗收缩特性，适用于组织工程皮肤的批量化构建。
[0014]虽然现有技术中存在将胶原蛋白和透明质酸、胶原蛋白、纤维蛋白、纤连蛋白、弹性蛋白、明胶、壳聚糖、海藻酸钠、聚乙二醇、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺等水凝胶原料一起混合，再交联固化形成支架材料，但是这类支架材料中为分子级别直接共混，并不含有水凝胶颗粒成分，也未涉及颗粒凝胶的构建。本专利技术通过将高体积分数的水凝胶颗粒加入到胶原蛋白溶液中，得到颗粒凝胶，调整混合液至中性后，胶原会发生原位交联，最终形成水凝胶颗粒为支撑体、胶原纤维为连接网格的类似于“钢筋
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混凝土”结构，如此可以增加复合支架的强度，并且能够实现抗收缩性。另外，水凝胶颗粒之间有空隙，可以通过调节水凝胶颗粒的尺寸或加入量来形成不同空隙量的复合支架，有利于复杂的生物结构的体外构建。同时，该复合支架中不含有传统的用于胶原蛋白交联的交联剂例如戊二醛、京尼平等，水凝胶颗粒也是生物相容性材料，所以复合支架的生物相容性优异。
[0015]进一步地，所述胶原蛋白选自胶原I型、胶原II型、胶原III型和胶原IV型中的一种或多种；所述共混物中胶原蛋白的浓度为0.1
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10mg/mL。
[0016]进一步地，所述颗粒凝胶中水凝胶颗粒的体积分数占比为50％
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74％。
[0017]进一步地，所述水凝胶颗粒的制备原料选自透明质酸、胶原蛋白、纤维蛋白、纤连蛋白、弹性蛋白、明胶、壳聚糖、海藻酸钠、聚乙二醇、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺中的一种或多种；所述水凝胶颗粒的制备原料经化学或物理交联后，由微流控法、机械破碎法或乳化法制备得到所述水凝胶颗粒。
[0018]进一步地，所述水凝胶颗粒的制备原料占共混物质量的0.1％
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10％，粒径为1μm
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1000μm，为无规则块状颗粒或微球型颗粒。
[0019]进一步地，所述功能细胞选自角质形成细胞、间质干细胞、血管内皮细胞、周细胞、黑色素细胞、朗格汉式细胞、纤维细胞和成纤维细胞中的一种或多种。
[0020]进一步地，步骤3)中所述模板为Transwell嵌套，将其转移至37℃培养箱中孵育，
胶原发生原位交联形成颗粒凝胶复合支架后，加入完全培养基进行三维细胞培养，并定时更换新鲜培养基。
[0021]进一步地，所述3D打印为生物打印，打印温度为37℃，打印的真皮模型再转移至无菌培养皿中，加入完全培养基进行三维细胞培养，并定时更换新鲜培养基。
[0022]本专利技术还提供了上述制备方法制备得到的用于组织工程皮肤的颗粒凝胶复合支架，其能抗收缩，生物相容性好，不影响细胞生长和分化的，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于组织工程皮肤的颗粒凝胶复合支架的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将水凝胶颗粒加入至胶原蛋白溶液中，得到颗粒凝胶；2)将颗粒凝胶pH值调节至生理条件，并加入功能细胞，得到共混物；3)将上述共混物转移至模板中或3D打印得到所述颗粒凝胶复合支架；所述颗粒凝胶中水凝胶颗粒的体积分数占比为50％
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74％。2.根据权利要求1所述的用于组织工程皮肤的颗粒凝胶复合支架的制备方法，其特征在于：所述胶原蛋白选自胶原I型、胶原II型、胶原III型和胶原IV型中的一种或多种；所述共混物中胶原蛋白浓度为0.1
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10mg/mL。3.根据权利要求1或2所述的用于组织工程皮肤的颗粒凝胶复合支架的制备方法，其特征在于：所述水凝胶颗粒的制备原料选自透明质酸、胶原蛋白、纤维蛋白、纤连蛋白、弹性蛋白、明胶、壳聚糖、海藻酸钠、聚乙二醇、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的用于组织工程皮肤的颗粒凝胶复合支架的制备方法，其特征在于：所述水凝胶颗粒的制备原料经化学或物理交联后，由微流控法、机械破碎法或乳化法制备得到所述水凝胶颗粒。5.根据权利要求4所述的用于组织工程皮肤的颗粒凝胶复合支架的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：余子夷，吴官府，张静，钦义鹏，曾芸枫，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：