摘要
水凝胶是由亲水性聚合物在水性介质中交联形成的三维网络结构，与天然的细胞外基质相类似，因而在作为组织工程支架材料方面具有巨大的应用价值。近年来，刺激响应性水凝胶引起了科研工作者的极大关注，水凝胶在受到温度、pH、光、离子强度、电场等刺激下会表现出体积形变，如溶胀和收缩，已被广泛应用在可控药物释放，生物传感器，软体机器人和组织工程等领域。水凝胶形变的可控性对其功能的精确控制具有重要意义，但实现水凝胶的可控形变在应用中依然面临挑战。 羟丁基壳聚糖（HBC）是通过羟丁基基团与壳聚糖分子链上的羟基和氨基反应而合成，修饰后的壳聚糖具有良好的水溶性和温敏性。该水溶液在低温下呈液体，但在生理温度下可形成凝胶。同时，HBC具有良好的生物相容性和生物可降解性，应用于药物传递、组织工程等。然而，HBC水凝胶作为细胞支架在实际应用中存在机械性能差和不宜细胞贴附等问题。本研究中，HBC经过甲基丙烯酰化修饰后被赋予了光交联特性，增强了水凝胶的机械强度。另外，利用甲基丙烯酰化明胶(GelMA)与甲基丙烯酰化羟丁基壳聚糖（MHBC）共混制备了复合水凝胶，不仅可提供良好的细胞粘附环境，而且能进一步增强其机械强度。 明胶由于存在细胞粘附位点—精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）序列，常常被添加在水凝胶中来促进细胞生长和增殖。但明胶低温下成胶，在细胞培养温度下会变成溶液，易从水凝胶支架中流失。明胶的甲基丙烯酰化产物GelMA，可在光引发剂和UV照射下完成交联，提高了明胶在细胞支架中的稳定性。该聚合反应能在室温下进行，交联程度可通过光照时间调节。GelMA水凝胶具有生物相容性，可生物降解性，无细胞毒性和非免疫原性，广泛应用于组织工程支架。 结合HBC的温敏相变特性及甲基丙烯酰化可控光交联性质，本文采用甲基丙烯酰基修饰的HBC和明胶，制备了可控收缩的温敏性光交联MHBC/GelMA复合水凝胶。在光交联之前，水凝胶在低温条件下呈溶液状态，具有流动性，在37℃下从溶胶状态向凝胶状态转变，同时结果证明了GelMA的添加并不会影响水凝胶的温敏可逆相变特性。另外，MHBC/GelMA复合水凝胶通过光交联，可快速地制造出不同尺寸的几何形状。流变学研究显示了MHBC/GelMA溶液具有剪切稀化的性质，溶液的黏度会随着剪切速率的增加而降低，当温度从10℃升高到25℃剪切细化现象更加明显；另外，溶液粘度也会随着温度升高而增加。扫描电镜（SEM）图像显示，以未光交联的水凝胶为对照，光交联水凝胶的内部孔径发生改变，并且随着紫外光照射时间（1-3min）的延长其交联程度增加，导致孔径逐渐变小。通过质构仪表征在不同的紫外光照射时间（1-3min）下MHBC和MHBC/GelMA复合水凝胶的力学性质。研究结果表明，水凝胶的杨氏模量会随着紫外光照射时间的延长逐渐增加。通过应力-应变曲线发现，MHBC/GelMA复合水凝胶的机械强度明显增加,最大应力值能达到62.15KPa。MHBC/GelMA水凝胶在经过物理交联和化学交联后，具有良好的温度响应性，在25℃至37℃温度变化下实现重复且可逆的溶胀和收缩行为。在37℃下水凝胶直径可以收缩为原来的75%，另外尺寸收缩程度可通过环境的离子强度调节，结果表明NaCl溶液离子浓度从0.2mol/l提高至1mol/l时，导致水凝胶直径从原始的50%变为40%。 根据溶血实验和细胞毒性实验可以看出，水凝胶具有良好的生物相容性。在细胞培养过程中，当环境温度保持在37℃时，水凝胶会从溶胀状态变为收缩状态，利用这种动态结构的变化可以提高水凝胶中的细胞密度。活/死细胞染色实验结果表明细胞在收缩的支架中可在一周内存活并增殖。通过鬼笔环肽和4'',6-二脒基-2-苯基吲哚（DAPI）染色结果显示在HBC和MHBC水凝胶中培养的细胞基本上为圆型。而MHBC/GelMA水凝胶在培养3天后可明显观察到细胞由圆型变为梭型，这说明该水凝胶有利于细胞的铺展和迁移。 本文制备了温敏性光交联MHBC/GelMA复合水凝胶，具有良好的力学性质和细胞粘附性，这在一定程度上满足了组织工程支架材料的要求。同时，水凝胶由25℃升温至37℃过程中的可控收缩特性，可用于制造具有精细结构的3D支架结构，为组织工程提供新型生物材料。
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