基于电沉积原理的管状海藻酸钙水凝胶可控制备(4) -中国组织工程研究杂志社投稿

一、稿件要求： 1、稿件内容应该是与某一计算机类具体产品紧密相关的新闻评论、购买体验、性能详析等文章。要求稿件论点中立，论述详实，能够对读者的购买起到指导作用。文章体裁不限，字数不限。 2、稿件建议采用纯文本格式(*.txt)。如果是文本文件，请注明插图位置。插图应清晰可辨，可保存为*.jpg、*.gif格式。如使用word等编辑的文本，建议不要将图片直接嵌在word文件中，而将插图另存，并注明插图位置。 3、如果用电子邮件投稿，最好压缩后发送。 4、请使用中文的标点符号。例如句号为。而不是.。 5、来稿请注明作者署名(真实姓名、笔名)、详细地址、邮编、联系电话、E-mail地址等，以便联系。 6、我们保留对稿件的增删权。 7、我们对有一稿多投、剽窃或抄袭行为者，将保留追究由此引起的法律、经济责任的权利。二、投稿方式： 1、请使用电子邮件方式投递稿件。 2、编译的稿件，请注明出处并附带原文。 3、请按稿件内容投递到相关编辑信箱三、稿件著作权： 1、投稿人保证其向我方所投之作品是其本人或与他人合作创作之成果，或对所投作品拥有合法的著作权，无第三人对其作品提出可成立之权利主张。 2、投稿人保证向我方所投之稿件，尚未在任何媒体上发表。 3、投稿人保证其作品不含有违反宪法、法律及损害社会公共利益之内容。 4、投稿人向我方所投之作品不得同时向第三方投送，即不允许一稿多投。若投稿人有违反该款约定的行为，则我方有权不向投稿人支付报酬。但我方在收到投稿人所投作品10日内未作出采用通知的除外。 5、投稿人授予我方享有作品专有使用权的方式包括但不限于：通过网络向公众传播、复制、摘编、表演、播放、展览、发行、摄制电影、电视、录像制品、录制录音制品、制作数字化制品、改编、翻译、注释、编辑，以及出版、许可其他媒体、网站及单位转载、摘编、播放、录制、翻译、注释、编辑、改编、摄制。 6、投稿人委托我方声明，未经我方许可，任何网站、媒体、组织不得转载、摘编其作品。

基于电沉积原理的管状海藻酸钙水凝胶可控制备(4)

作者:

关键词:

摘要：

浓度:Fig.5(d)给出了CaCO3浓度分别为0.3% g/mL，0.4% g/mL，0.5% g/mL，0.6% g/mL和0.7% g/mL时形成的管状水凝胶直径大小。由Fig.5(d)可以看出，随着CaCO3纳米颗粒浓度增加，海藻酸钙水凝胶直径尺寸增加，这是因为增加CaCO3纳米颗粒的浓度可使在电解期间有更多的Ca2+从未溶解的CaCO3纳米颗粒中释放出来。Ca2+扩散，然后与海藻酸根离子反应，形成直径更大的水凝胶。由图也可看出，随着CaCO3纳米颗粒浓度逐渐增加，水凝胶直径的增长速率逐渐减小。其原因是开始增加CaCO3纳米颗粒浓度，未溶解的CaCO3纳米颗粒的Ca2+释放总量增加，加快了与海藻酸根离子的离子交联反应，故水凝胶直径的增长速率提高。当从未溶解的CaCO3纳米颗粒中释放出的Ca2+与海藻酸根离子的离子交联反应速率逐渐接近最大值时，CaCO3纳米颗粒析出的过多Ca2+是无法与海藻酸根离子发生离子交联，故水凝胶直径增长速率逐渐减缓。虽然CaCO3纳米颗粒浓度增加会生成更大尺寸的水凝胶，但是过量的未溶解的CaCO3纳米颗粒会占据海藻酸钙水凝胶中细胞的生存空间，导致细胞活性降低，致使细胞死亡。因此，CaCO3纳米颗粒浓度一般在0.5% g/mL左右。

2.3 海藻酸钙水凝胶直径生长模型参数确定

为了确定水凝胶直径生长模型中未知变量k1，k2，k3，k4，k5，电容C1，C2，反电动势ED及电阻R1，R2大小，利用控制变量法分别在U=4.2 V和U=4.8 V下测量电沉积时间t分别为5 s，8 s，10 s，12 s，15 s，18 s，20 s，25 s，30 s，40 s，50 s及60 s时水凝胶的直径大小，每个时间下分别测量3次取其平均值，结果如Fig.6所示。图中虚线代表实验实际测得的水凝胶直径大小，实线代表模型预测的水凝胶直径大小。从图中得知，水凝胶直径与施加直流电源电压成正相关，施加的直流电源电压越大水凝胶直径越大；且直流电源电压一定时，水凝胶直径在电沉积开始时增长速度较快，随着电沉积时间的延长，水凝胶外径趋于稳定，水凝胶直径模型与时间成指数关系，验证了水凝胶直径模型的正确性。为了计算式(13)中参数，将2种4.2 V和4.8 V电压数据进行拟合计算，得到：k1/k2=267，k3=1.17，k4=1.29×10-2，k5=-4.2×10-2，C1·C2/(C1+C2)=2.064 pF，R1=540 Ω，R2=660 Ω和ED=3.36 V，代入式(13)，得到管状水凝胶直径(d1)为

为了验证水凝胶直径生长模型式(14)，在相同的实验条件下，用建立的模型来预测水凝胶在4.5 V电压下的形成效果，如Fig.6所示。建立的生长模型与实验结果匹配良好，误差小于5%。上述结果表明，所建立的水凝胶直径生长模型能够实现对管状海藻酸钙水凝胶直径大小的可控制备。

2.4 细胞活性实验

活细胞/死细胞双荧光染色试剂被用来进行细胞染色。本文采用的染色试剂溶液中钙黄绿素AM(活细胞：绿色)和碘化丙啶PI(死细胞：红色)的浓度分别为2 μmol/L和4.5 μmol/L。将包埋细胞的管状海藻酸钙水凝胶放入37 ℃、5%CO2的二氧化碳培养箱进行培养一定时间(0 h，2 h，4 h，6 h，8 h和10 h)，之后从培养箱中取出水凝胶放入活细胞/死细胞双荧光染色试剂溶液中，重新放进培养箱培养15～30 min，使染色试剂扩散到水凝胶中。在对水凝胶成像之前，通过PBS洗涤水凝胶除去残留的染色试剂，然后用荧光显微镜观察染色细胞的荧光图像。

Fig.6 Hydrogel outer diameter according to the hydrogel growth model and experiments at various potentials

Fig.7是包埋细胞管状海藻酸钙水凝胶在荧光显微镜下观察到的结果。活细胞被染成绿色，死细胞被染成红色。其中Fig.7(a)～Fig.7(f)分别代表细胞在0 h，2 h，4 h，6 h，8 h和10 h下的培养结果(g)为水凝胶中细胞的平均存活率，这是利用ImageJ软件，通过计算荧光图像中绿色通道中的像素数来获得的。施加直流电源电压为4.5 V，水凝胶开始形成时，Hepa1-6小鼠肝癌细胞的存活率大于90%。细胞在培养10 h后，存活率达到75%以上。该结果表明电沉积法可以用于体外组织的制备，同时在后期培养中细胞仍能保持活力，证明了电沉积法制备水凝胶对细胞损害小。

Fig.7 Cell-encapsulated alginate hydrogels staining results using calcein-AM and propidium iodide

3 结论

本文采用电沉积法，以海藻酸钠和CaCO3为原材料成功制备了管状海藻酸钙水凝胶。通过分析电沉积制备原理，研究了海藻酸钠浓度、CaCO3浓度、电沉积时间及直流电源电压4种电沉积参数对电沉积效果的影响。建立了海藻酸钙水凝胶直径生长模型，改变直流电压大小和电沉积时间长短可以实现水凝胶直径的精确控制，并通过实验验证了该模型的准确性。最后，细胞活性实验证明了电沉积法制备的水凝胶对细胞损害小。这不仅能够为体外构建人工组织器官技术提供新的研究思路，并且在生物医学和组织工程领域中具有一定的实用价值。

文章来源：《中国组织工程研究》网址: http://www.zgzzgcyj.cn/qikandaodu/2021/0310/1103.html