海藻酸钠水凝胶、其制备方法与具有其的水凝胶生物支架

本发明涉及一种海藻酸钠水凝胶，特别是指一种海藻酸钠水凝胶、其制备方法与具有其的水凝胶生物支架。

背景技术：

水凝胶(hydrogel)是一类极为亲水的三维网络结构凝胶，它在水中迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解。由于存在交联网络，水凝胶可以溶胀和保有大量的水，这一特性使其像软组织一样，能够为细胞的增殖分化提供合适的微环境，进而高效地实现组织的修复和再生。

目前水凝胶的种类主要分为合成类水凝胶、天然高分子类水凝胶、经修饰的水凝胶、自组装肽，其中天然高分子类的水凝胶以海藻酸钠、琼脂糖、透明质酸、壳聚糖水凝胶最为常见，广泛应用于组织损伤的修复研究。

但目前已知的水凝胶，其内部结构通常为各向较为均一的三维网络结构。例如中国专利文献cn111437435a将金属离子交联和物理交联结合，制备得到的水凝胶柔软富有弹性，具有孔径均匀的三维网状结构，含水量高，生物相容性好，适合担载细胞。这类各项均一三维网络结构的水凝胶，无法满足其作为细胞及生物活性分子载体的需求以用于修复具有线性显微结构的组织器官，如脊髓、神经、骨和心肌组织等。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种含有线性微管道结构的海藻酸钠水凝胶、其制备方法与具有其的水凝胶生物支架。

为实现上述目的，本发明提供了一种海藻酸钠水凝胶的制备方法，包括如下步骤：将可溶性金属盐溶液从液面上分散加入到海藻酸钠分散液中，静置和/或离心(这里的“和”是在不同时间分别进行)，使金属离子依靠重力向下渗透并在海藻酸钠水凝胶内部形成线性微管道结构。

优选地，通过从液面上方向下喷雾的方式将可溶性金属盐溶液分散加入到海藻酸钠分散液中，静置0.5～72h得到含有线性微管道结构的海藻酸钠水凝胶。此处静置可改为离心处理，使处理时间得到大幅缩短。

优选地，喷雾颗粒直径为0.3μm，速率为1.25～1.45ml/min；静置时间为18～48h。

优选地，该方法还包括制备海藻酸钠分散液的步骤，该步骤包括：将海藻酸钠和本身可形成氢键的生物质高分子溶于去离子水中，分散均匀，除去杂质、气泡，即得海藻酸钠分散液。该方案针对单一的海藻酸钠水凝胶生物降解性差、细胞附着点相对较少的问题，利用可形成氢键的生物质高分子和海藻酸混合后分子间的作用力提高支架的机械强度的特点，形成含有稳定的平行微管道结构的海藻酸钠/明胶水凝胶，满足其作为细胞及生物活性分子载体的需求，以用于修复具有线性显微结构的组织器官(脊髓、神经、骨和心肌组织等)。

在上述方案的基础上，进一步地，所述海藻酸钠分散液中，所述生物质高分子、海藻酸钠、去离子水的质量比为1:(1～100):(500～1000)；所述可溶性金属盐溶液中金属盐的浓度在1～3mol/l；所述可溶性金属盐溶液与海藻酸钠分散液的质量比为1:(2～10)。

在上述方案的基础上，进一步地，所述生物质高分子包括明胶、壳聚糖、纤维素中的一种或多种。

在上述方案的基础上，进一步地，制备海藻酸钠分散液的步骤中：可采用机械搅拌、高压均质处理、超声细胞破碎仪、球磨处理、高速水冲击处理中的一种或多种方式进行分散；

在上述方案的基础上，制备海藻酸钠分散液的步骤中，优选采用过滤除去杂质。

在上述方案的基础上，制备海藻酸钠分散液的步骤中，优选采用离心除去气泡。

优选地，该方法还包括制备可溶性金属盐溶液的步骤，该步骤包括：取一定量的可溶性金属盐加入无菌去离子水中，搅拌溶解，即得可溶性金属盐溶液。

在上述方案的基础上，所述可溶性金属盐包括氯化钴、氯化钙、氯化锰、氯化铜、氯化锌、硝酸钴、硝酸钙、硝酸锰、硝酸铜、硝酸锌、硫酸钴、硫酸锰、硫酸铜、硫酸锌等过渡金属离子盐中的一种或多种。

本发明同时提供了一种具有线性微管道结构的海藻酸钠水凝胶，优选采用前述任一种制备方法制得。该水凝胶可以用作修复具有线性显微结构的组织器官的材料。

本发明还提供了一种水凝胶生物支架，以前述任一种海藻酸钠水凝胶作为载体，在其上负载有特定的细胞或生物活性分子，用于修复具有线性显微结构的组织器官，如脊髓、神经、骨和心肌组织等。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过以可溶性金属盐作为交联介质时，金属离子会取代海藻酸钠g及m单元上的钠离子，使其耦合形成“egg-box”样结构的水凝胶。同时，金属离子依靠重力向下渗透后在水凝胶内部形成平行的线性微管道结构。

本发明制得的海藻酸钠水凝胶具有均一、平行的线性管道，稳定性好，能够进行高压蒸汽灭菌及低温冷冻保存，从而满足需要线性结构的细胞移植支架制造技术的要求。

附图说明

图1中为本发明实施例1所制备的海藻酸钠水凝胶在光学显微镜下放大100倍的图像，其中(a)、(b)分别为横断面、纵切面的图像，(b)中黑色为管道中的气泡。

图2中为本发明实施例3所制备的海藻酸钠水凝胶在光学显微镜下放大100倍的图像，其中(a)、(b)分别为横断面、纵切面的图像。

图3中为本发明实施例4所制备的海藻酸钠水凝胶在光学显微镜下放大100倍的图像，其中(a)、(b)分别为横断面、纵切面的图像。

图4中为本发明实施例10所制备的海藻酸钠水凝胶在光学显微镜下放大100倍的图像，其中(a)、(b)分别为横断面、纵切面的图像。

其余各实施例制备的海藻酸钠水凝胶在光学显微镜下观察的形貌与可参考上述附图1～4。相同离子对应的各实施例微管直径相当，不同离子对应的各实施例微管直径存在区别。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

本实施例提供了一种含有平行微管道结构的海藻酸钠水凝胶，其制备步骤如下：

1)制备海藻酸钠分散液：将10g海藻酸钠及1g明胶加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后将混合溶液通过孔径为0.2μm的过滤器除去杂质，8000rpm离心除去气泡。取60g混合液倒入直径为5cm高度为6cm的圆柱形不锈钢模具中。

2)制备可溶性金属盐溶液：将55.5g的氯化钙加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后通过孔径为0.2μm的过滤器过滤。

3)制备海藻酸钠水凝胶：用喷雾装置小心均匀地将氯化钙溶液喷洒加入到海藻酸钠水溶液中，直至其表面累积20ml氯化钙溶液，最后室温下静置48h，得到含有线性微管道结构的海藻酸钠水凝胶。

在光学显微镜下观察制得的海藻酸钠水凝胶，所得图像见图1，可以看到，水凝胶中形成了均一、平行的线性管道。

实施例2

本实施例提供了一种含有平行微管道结构的海藻酸钠水凝胶，其制备步骤如下：

1)制备海藻酸钠分散液：将10g海藻酸钠及1g明胶加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后将混合溶液通过孔径为0.2μm的过滤器除去杂质，8000rpm离心除去气泡。取60g混合液倒入直径为5cm高度为6cm的圆柱形不锈钢模具中。

2)制备可溶性金属盐溶液：将65g的氯化钴加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后通过孔径为0.2μm的过滤器过滤。

3)制备海藻酸钠水凝胶：用喷雾装置小心均匀地将氯化钙溶液喷洒加入到海藻酸钠水溶液中，直至其表面累积20ml氯化钙溶液，最后室温下静置48h，得到含有线性微管道结构的海藻酸钠水凝胶。

实施例3

本实施例提供了一种含有平行微管道结构的海藻酸钠水凝胶，其制备步骤如下：

1)制备海藻酸钠分散液：将10g海藻酸钠及1g明胶加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后将混合溶液通过孔径为0.2μm的过滤器除去杂质，8000rpm离心除去气泡。取60g混合液倒入直径为5cm高度为6cm的圆柱形不锈钢模具中。

2)制备可溶性金属盐溶液：将67g的氯化铜加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后通过孔径为0.2μm的过滤器过滤。

3)制备海藻酸钠水凝胶：用喷雾装置小心均匀地将氯化钙溶液喷洒加入到海藻酸钠水溶液中，直至其表面累积20ml氯化钙溶液，最后室温下静置48h，得到含有线性微管道结构的海藻酸钠水凝胶。

在光学显微镜下观察制得的海藻酸钠水凝胶，所得图像见图2，可以看到，水凝胶中形成了均一、平行的线性管道。

实施例4

本实施例提供了一种含有平行微管道结构的海藻酸钠水凝胶，其制备步骤如下：

1)制备海藻酸钠分散液：将10g海藻酸钠及1g明胶加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后将混合溶液通过孔径为0.2μm的过滤器除去杂质，8000rpm离心除去气泡。取60g混合液倒入直径为5cm高度为6cm的圆柱形不锈钢模具中。

2)制备可溶性金属盐溶液：将68g的氯化锌加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后通过孔径为0.2μm的过滤器过滤。

3)制备海藻酸钠水凝胶：用喷雾装置小心均匀地将氯化钙溶液喷洒加入到海藻酸钠水溶液中，直至其表面累积20ml氯化钙溶液，最后室温下静置48h，得到含有线性微管道结构的海藻酸钠水凝胶。

在光学显微镜下观察制得的海藻酸钠水凝胶，所得图像见图3，可以看到，水凝胶中形成了均一、平行的线性管道。

实施例5

本实施例提供了一种含有平行微管道结构的海藻酸钠水凝胶，其制备步骤如下：

1)制备海藻酸钠分散液：将10g海藻酸钠及1g明胶加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后将混合溶液通过孔径为0.2μm的过滤器除去杂质，8000rpm离心除去气泡。取60g混合液倒入直径为5cm高度为6cm的圆柱形不锈钢模具中。

2)制备可溶性金属盐溶液：将63g的氯化锰加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后通过孔径为0.2μm的过滤器过滤。

3)制备海藻酸钠水凝胶：用喷雾装置小心均匀地将氯化钙溶液喷洒加入到海藻酸钠水溶液中，直至其表面累积20ml氯化钙溶液，最后室温下静置48h，得到含有线性微管道结构的海藻酸钠水凝胶。

实施例6

本实施例提供了一种含有平行微管道结构的海藻酸钠水凝胶，其制备步骤如下：

1)制备海藻酸钠分散液：将10g海藻酸钠及1g壳聚糖加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后将混合溶液通过孔径为0.2μm的过滤器除去杂质，8000rpm离心除去气泡。取60g混合液倒入直径为5cm高度为6cm的圆柱形不锈钢模具中。

2)制备可溶性金属盐溶液：将55.5g的氯化钙加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后通过孔径为0.2μm的过滤器过滤。

3)制备海藻酸钠水凝胶：用喷雾装置小心均匀地将氯化钙溶液喷洒加入到海藻酸钠水溶液中，直至其表面累积20ml氯化钙溶液，最后室温下静置48h，得到含有线性微管道结构的海藻酸钠水凝胶。

实施例7

本实施例提供了一种含有平行微管道结构的海藻酸钠水凝胶，其制备步骤如下：

1)制备海藻酸钠分散液：将10g海藻酸钠及1g纤维素加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后将混合溶液通过孔径为0.2μm的过滤器除去杂质，8000rpm离心除去气泡。取60g混合液倒入直径为5cm高度为6cm的圆柱形不锈钢模具中。

2)制备可溶性金属盐溶液：将55.5g的氯化钙加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后通过孔径为0.2μm的过滤器过滤。

3)制备海藻酸钠水凝胶：用喷雾装置小心均匀地将氯化钙溶液喷洒加入到海藻酸钠水溶液中，直至其表面累积20ml氯化钙溶液，最后室温下离心，得到含有线性微管道结构的海藻酸钠水凝胶。

实施例8

本实施例提供了一种含有平行微管道结构的海藻酸钠水凝胶，其制备步骤如下：

1)制备海藻酸钠分散液：将15g海藻酸钠及1g明胶加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后将混合溶液通过孔径为0.2μm的过滤器除去杂质，8000rpm离心5分钟除去气泡。取60g混合液倒入直径为5cm高度为6cm的圆柱形不锈钢模具中。

2)制备可溶性金属盐溶液：将55.5g的氯化钙加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后通过孔径为0.2μm的过滤器过滤。

3)制备海藻酸钠水凝胶：用喷雾装置小心均匀地将氯化钙溶液喷洒加入到海藻酸钠水溶液中，直至其表面累积20ml氯化钙溶液，喷雾装置的颗粒直径为0.3μm，速率为1.3ml/min；最后室温下静置12h，得到含有线性微管道结构的海藻酸钠水凝胶。

实施例9

本实施例提供了一种含有平行微管道结构的海藻酸钠水凝胶，其制备步骤如下：

1)制备海藻酸钠分散液：将7g海藻酸钠及1g纤维素加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后将混合溶液通过孔径为0.2μm的过滤器除去杂质，8000rpm离心10分钟除去气泡。取60g混合液倒入直径为5cm高度为6cm的圆柱形不锈钢模具中。

2)制备可溶性金属盐溶液：将110.0g的氯化钙加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后通过孔径为0.2μm的过滤器过滤。

3)制备海藻酸钠水凝胶：用喷雾装置小心均匀地将氯化钙溶液喷洒加入到海藻酸钠水溶液中，直至其表面累积20ml氯化钙溶液，最后室温下静置24h，得到含有线性微管道结构的海藻酸钠水凝胶。

实施例10

本实施例提供了一种含有平行微管道结构的海藻酸钠水凝胶，其制备步骤如下：

1)制备海藻酸钠分散液：将10g海藻酸钠及1g明胶加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后将混合溶液通过孔径为0.2μm的过滤器除去杂质，8000rpm离心10分钟除去气泡。取60g混合液倒入直径为5cm高度为6cm的圆柱形不锈钢模具中，静置8小时。

2)制备可溶性金属盐溶液：将133.3g的氯化锶加入500ml去离子水中，磁力搅拌溶解，然后通过孔径为0.2μm的过滤器过滤。

3)制备海藻酸钠水凝胶：用喷雾装置小心均匀地将氯化钙溶液喷洒加入到海藻酸钠水溶液中，直至其表面累积20ml氯化钙溶液，最后室温下静置36h，得到含有线性微管道结构的海藻酸钠水凝胶。

在光学显微镜下观察制得的海藻酸钠水凝胶，所得图像见图4，可以看到，水凝胶中形成了均一、平行的线性管道。

实施例11

本实施例提供了一种水凝胶生物支架，该支架以实施例1～7制备的任一海藻酸钠水凝胶为载体，在其上搭载活细胞或生物活性分子，用于修复具有线性显微结构的组织器官，如脊髓、神经、骨和心肌组织等。搭载活细胞或生物活性分子的具体方法采用现有技术，不涉及本发明的改进，故省略。