含螺旋血管通道的水凝胶纤维:基于微流控的生物材料制备新进展

近年来水凝胶纤维特别是具有通道结构的生物纤维材料,因其在组织工程与生物制造、体外组织器官模型的构建及体内生理环境的模拟等方面的应用前景而受到广泛关注。但是迄今为止国内外尚未见到含螺旋血管通道的水凝胶纤维制备技术的文献报道。事实上,各种螺旋状结构在自然界广泛存在,而在人体组织如胚胎、肿瘤中螺旋状复杂血管结构的存在也引起科学家的兴趣,但是若要对这些自然界的螺旋通道结构与功能开展深入的研究或者组织器官工程的应用,基础性的工作尚有赖于含螺旋通道的水凝胶材料相关制备技术的发展。

最近,清华大学化学系梁琼麟研究组基于微流控平台制备新型水凝胶纤维的研究取得了新的进展。利用自主设计和搭建的共轴微流控挤出装置,选用海藻酸钠-氯化钙体系作为模型,首次制备了含螺旋通道的水凝胶纤维,而且该水凝胶纤维通道中螺旋生成的位置、尺寸、螺距等特征参数可以通过调整内外相流体流速比来精确控制。运用该技术我们还实现了双螺旋、多螺旋通道以及纤维的三维组装等复杂结构水凝胶材料的制备。这类新型水凝胶纤维材料具有良好的生物相容性和较好的力学性能,可以包覆各类组织细胞并长期培养,含有通道的纤维结构除适于直接作为血管组织工程支持材料外,也适于作为生物线一样的生物制造的基元材料,可以对荷载一定类型细胞的生物线(纤维)进行编织或有序的堆集以构造各类的生物组织。该研究所制备的螺旋通道水凝胶纤维具有良好的可灌注能力,可实现极长(米级)水凝胶纤维的血液灌注流通。通过构建的体外螺旋动脉模型及血液灌注实验和物质扩散实验,比较考察了在螺旋通道和直通道条件下血细胞流动状态的差异和荧光素标记的葡聚糖分子扩散动力学的差异,研究结果提示螺旋血管与普通血管结构上的差异可能导致生理功能上的差异,初步展示了该新型凝胶纤维材料在构建组织器官仿生的体外病理生理模型或组织器官工程等领域的应用前景。

含螺旋通道的水凝胶纤维的制备原理示意图

通过对纤维中螺旋通道生成的化学过程和物理过程分析,研究组提出了一种称为“异质生成卷绳效应”(heterogenerated rope-coil Effect)的理论模型。按照经典流体力学的“卷绳效应”,当粘性的液体(内相)通过微管道在低粘性的空气(外相)中挤出时会生成类似卷绳状的螺旋。受此启发,我们首先尝试在内相通入粘性的海藻酸钠而外相通入低粘性的氯化钙,但结果并不能得到含螺旋通道的水凝胶;反之,当我们在内相通入低粘性的氯化钙而外相通入粘性的海藻酸钠时则取得了成功。之所以出现这种反常现象,是因为海藻酸钠和氯化钙两相溶液在层流的同时发生着动态的化学反应,两相界面处生成了更高粘度的海藻酸钙水凝胶层并不断增厚(粘度不断增大),当生成的海藻酸钙层(作为新生的内相)超过外相的海藻酸钠溶液并达到一定临界值则会在管内形成螺旋的海藻酸钙通道,而内层同时流动的氯化钙溶液的存在则使得生成的螺旋通道保持中空状态,外层海藻酸钠溶液在进一步与钙离子反应后固化成为海藻酸钙纤维。这种含螺旋通道的水凝胶纤维制备过程不能直接套用简单两相流的“卷绳效应”加以解释,而是由于微流控两相界面处动态反应生成的异质界面(海藻酸钙)的存在,使得内外层的相对粘度发生了动态翻转进而产生了类似“卷绳效应”的螺旋现象,因此称之为“异质生成卷绳效应”。该理论不仅能够解释和指导如何实现对纤维中通道螺旋生成的位置、尺寸、螺距等进行调控,还可以推广到更多反应体系制备螺旋结构材料的生成和调控。

此项研究为螺旋状等复杂通道结构水凝胶纤维材料的可控制备提供了新理论和新方法,是基于微流控的生物材料制备技术的一个新进展。相关论文发表在Advanced  Materials上(DOI: 10.1002/adma.201701664),并于当期inside front cover上作介绍,通讯作者为清华大学化学系长聘副教授梁琼麟,第一作者为其指导的硕士生徐培迪。

Speak Your Mind

*