液滴微流控技术“一步法“制备核壳状水凝胶材料

近年来,水凝胶材料明胶甲基丙烯酸甲酯(GelMA)由于具有良好的生物相容性和可调的理化性质日益引起关注。GelMA是天然明胶的化学修饰产物,可通过紫外光聚合形成交联的网状结构,并且具有极佳的时空可控性,易于制成多种形貌的生物组织支架,如块状、丝状、微球状等。微球支架由于具备良好的适应性、适宜的机械强度、较好的胶体稳定性和较大的比表面积,成为了极具潜力的组织工程材料和三维细胞培养载体。传统的细胞负载水凝胶微球制备方法主要有悬滴法、搅拌法和微阵列印刷法等,这些方法均难以可控获得大小均一的微球支架,且难以形成如核壳状等具有复杂形貌和结构功能特征的材料,在一定程度上也限制了其广泛应用。

针对这一问题,大连化学物理研究所秦建华团队设计制备了一种新型集成化流动聚焦微流控装置,分别选用核流体(甲基纤维素,MC)及壳流体(GelMA)建立微尺度下层流体系,并以矿物油作为连续相形成层流剪切。利用紫外光照射下壳溶液(GelMA)发生光聚合的特性,制备出生物相容性良好的核壳状GelMA微球。

基于该液滴微流控装置微流芯片内流体流速精确可控,并可实现对核壳状微球尺寸(包括微球整体尺寸、核尺寸、壳厚度)等多参数的灵活调控;进一步利用该核壳微球材料实现了对HepG2肝细胞的负载和长期3D组织培养(>2周),可维持较好的细胞增殖能力和细胞活性,并具有肝白蛋白表达和尿素分泌功能,显示了该支架材料的生物相容性及作为3D细胞载体的功能性。此外,当将肝细胞与血管内皮细胞共培养于微球,其肝细胞尿素表达水平明显高于单独培养时的水平,体现了对不同种类细胞负载的灵活性, 后续还可用于区域化3D细胞共培养和复杂组织构建等。这种基于液滴微流控技术的水凝胶材料制备方法具有简单、可控,高通量和多功能等优势,在生物材料、组织工程和药物传递等领域具有广泛应用前景。

相关结果发表在Advanced Materials Technologies(DOI: 10.1002/admt.201800632)。