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含螺旋血管通道的水凝胶纤维制备技术上取得新进展

9月13日,清华化学系梁琼麟研究组在《先进材料》(Advanced Materials)发表基于微流控的生物材料制备技术研究的新成果,并作为当期杂志内封面(《先进材料》. 2017, 29, 1701664)。该研究首次报道了含螺旋血管通道的生物水凝胶纤维的生成技术,实现了血液灌注功能及物质输运扩散动力学的研究,并提出了结合微流控反应与微流体力学的“异质生成卷绳效应”为含螺旋通道或直通道的水凝胶纤维的可控制备奠定了理论基础


含螺旋血管通道的水凝胶纤维制备技术

图1:《先进材料》杂志内封面。

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。梁琼麟研究组将微流控技术引入到上述生物制造、生物微环境模拟以及药物筛选等研究领域,开展了具有特色的研究工作,最新研究成果相继发表于《芯片实验室》(lab on a chip) (2014), 《科学报告》(Scientific Reports) (2016), 《分析化学》(Analytical Chemistry)(2016), 《美国化学协会应用材料》(ACS Applied Materials & Interfaces) (2016), 《纳米研究》(Nano Research) (2017)。 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。

如图2.所示,本研究利用共轴微流控挤出装置,选用海藻酸钠-氯化钙共轴双相层流体系作为模型,首次制备了新型螺旋通道水凝胶纤维,而且该水凝胶纤维通道的形貌和尺寸可以通过调整流速比来精确控制。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)挤出时会生成类似卷绳状的螺旋,受此启发,梁琼麟研究组尝试在内相溶液通入粘性的海藻酸钠而外相通入低粘性的氯化钙,但结果表明这种方法并不能成功制备含螺旋通道的水凝胶。但是,当研究组在内相溶液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。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,使得相对粘度发生了动态翻转从而产生了类似“卷绳效应”的螺旋现象,这种现象被称之为“异质生成卷绳效应”(heterogenerated rope-coil Effect)。运用该技术梁琼麟研究组还实现了双螺旋、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。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。

含螺旋血管通道的水凝胶纤维制备技术上取得新进展

通过构建的体外螺旋动脉模型,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,梁琼麟研究组初步展示了螺旋血管与普通血管可能存在的生理功能上的差异。该研究为螺旋状等复杂通道结构水凝胶材料的制备提供了新理论和新方法,为进一步发展组织器官仿生的体外病理生理模型或未来的组织器官工程应用展示了可能性,是基于微流控的生物制造技术的一个新进展。

该论文通讯作者为化学系长聘副教授梁琼麟博士,第一作者为其指导的硕士生徐培迪同学。该项研究工作得到了国家重大科技专项课题(2013ZX09507005)、国家自然科学基金(21621003, 21235004, 81230079)及北京市科技计划(Z131100006513009)的支持。

论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201770243/full

供稿:化学系 编辑:华山

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