一种生物医用水凝胶及利用该水凝胶的生物组织成像方法

本发明属于生物医学成像材料领域，具体涉及一种生物医用水凝胶及利用该水凝胶的生物组织成像方法。

背景技术：

1、生物组织包埋材料在病理诊断和现代生物医学研究中被广泛应用，常用的包埋材料包括石蜡、树脂、琼脂糖等。但是，上述材料存在制备过程繁琐、机械性能不适合切削、生物相容性差、荧光保持效果差等缺陷，应用范围受限，且大分子不易渗透到组织内部，是只能起外部支撑作用的表层凝胶。而水凝胶材料是小分子凝胶，能够先渗入组织中再完成聚合，在组织内部起到一定的支撑作用，即均匀遗体凝胶，相比传统包埋材料具有较好的生物相容性。因此制备新型的高强度超分子水凝胶，并设计简单的超分子水凝胶制备流程具有很高的应用价值。而具有良好机械性能和较高荧光保持率的超分子水凝胶才便于生物组织的切削制片以及后续的观察研究，简单的制备流程有利于超分子水凝胶的大量制备和广泛应用，尤其是大样本组织包埋，对于水凝胶材料的用量大，品控要求很高。

2、生物组织包埋所希望的水凝胶应具有方便且较快的合成和聚合过程，较好的机械性能、生物相容性和荧光保持率。目前的包埋用水凝胶体系大多通过酰胺基与水形成氢键连接成凝胶结构，但普遍存在所形成的水凝胶强度低、制胶过程需要加热较高温度等问题，且该类型单体的合成过程较为繁琐且周期较长。另外，组织包埋后下一步涉及到切片操作，但由于现有酰胺类包埋水凝胶的力学强度不够高，切削容易度有待进一步通过提高压缩断裂强度来提升。同时，部分酰胺类包埋水凝胶有着过强的溶胀性，不利于在水溶液中保持稳固的形状，进而会对样本进行显微观察造成不良影响。

3、因此，如何设计出一种制备方案简便快速、成本较低、纯度较高、机械性能好、生物相容性好且具有良好荧光保持能力的水凝胶以应用于生物切片成像领域是目前急需解决的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种生物医用水凝胶及利用该水凝胶的生物组织成像方法，通过选择合适的水凝胶聚合体系以及聚合方式，在提高水凝胶机械强度、荧光能力、切片成型速度的同时也提高了生物组织成像的能力。

2、本发明首先提供一种生物医用水凝胶，所述生物医用水凝胶包括如下组分：单体，交联剂和引发剂，所述单体为丙烯酸脲基乙酯或其衍生物，所述水凝胶具有多个强交联点，所述强交联点为所述单体一个分子中的氨基和另一个分子中的羰基氧原子形成的分子间氢键。

3、根据本发明的一个实施方式，所述的丙烯酸脲基乙酯或其衍生物具有如式(一)的结构式：

4、

5、其中，r1为h或ch3，r2为ch2或ch2ch2。

6、根据本发明的一个实施方式，所述引发剂为过硫酸铵或偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐，所述引发剂质量为所述单体质量的0.05％-5％，所述交联剂为n，n’-亚甲基双丙烯酰胺(mba)或n，n-甲基双丙烯酰胺(eba)，所述交联剂质量为所述单体质量的0.01％-10％。

7、根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种生物医用组织成像的方法，包括以下步骤：

8、s1：将生物组织进行预处理；

9、s2：将单体、交联剂、引发剂与溶剂混合得到混合溶液，所述单体为丙烯酸脲基乙酯或其衍生物；

10、s3：将所述预处理后的生物组织在所述混合溶液中进行渗透处理；

11、s4：使所述单体在渗透处理后的生物组织中原位聚合得到水凝胶，所述水凝胶具有多个强交联点，所述强交联点为所述单体一个分子中的氨基和另一个分子中的羰基氧原子形成的分子间氢键；

12、s5：将含有上述水凝胶的生物组织切片，将所述切片在成像系统上成像。

13、根据本发明的一个实施方式，步骤s1中的所述生物医用组织为小鼠脑，所述预处理方式为将小鼠脑置于固定液中固定8-12h，待小鼠脑组织固定后使用pbs缓冲液多次漂洗，除去小鼠脑组织中残留的pfa备用，所述固定液为浓度4％的pfa溶液，所述固定液的固定温度为4℃。

14、根据本发明的一个实施方式，所述的丙烯酸脲基乙酯或其衍生物具有如式(一)的结构式：

15、

16、其中，r1为h或ch3，r2为ch2或ch2ch2。

17、根据本发明的一个实施方式，步骤s2中所述混合溶液中单体的质量分数为30％-70％，所述引发剂为过硫酸铵或偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐，所述引发剂为所述单体质量的0.05％-5％，所述交联剂为n，n’-亚甲基双丙烯酰胺(mba)或n，n-甲基双丙烯酰胺(eba)，所述交联剂为单体质量的0.01％-10％。

18、根据本发明的一个实施方式，步骤s3中的渗透处理温度为4-10℃，渗透处理的时间为6-12h。

19、根据本发明的一个实施方式，步骤s4中原位聚合的反应温度为15℃-45℃，聚合时间为1min-24h。

20、根据本发明的一个实施方式，步骤s4中所述水凝胶的压缩强度为0.327-0.798mpa，在pbs溶液中的平衡溶胀比为129％-135％。

21、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

22、(1)本发明提供了一种超分子水凝胶聚合物，该超分子水凝胶聚合物采用了丙烯酸脲基乙酯或其衍生物作为反应单体，相较于传统的包埋水凝胶具有更好的溶胀比、生物相容性以及渗透性，在达到聚合条件聚合以后能够在水凝胶分子间形成强交联点为成像切片提供更好的机械支撑，同时还兼具一定的荧光保持率，且相较于其他包埋水凝胶使用的单体，本发明使用的聚合物单体合成过程更加简便，反应5-6小时即可得到大量单体。

23、(2)本发明的成像方法将预处理后水凝胶组分在生物组织中渗透处理后，稍许加热即可达到水凝胶聚合温度，其生物组织预处理、生物组织渗透处理、水凝胶聚合所需的温度均不高，有利于生物组织保存，且其原位聚合的方式也进一步保证了生物组织不被破坏，成像结果更加清晰；并且本发明的成像方法中，由于采用了独特的水凝胶组分，其渗透处理的时间最低可达6h，聚合时间最快可达为1min，加快了生物组织制成切片的速度，也间接地加快了生物组织的成像速度。

技术特征：

1.一种生物医用水凝胶，其特征在于，所述生物医用水凝胶包括如下组分：单体，交联剂和引发剂，所述单体为丙烯酸脲基乙酯或其衍生物，所述水凝胶具有多个强交联点，所述强交联点为所述单体一个分子中的氨基和另一个分子中的羰基氧原子形成的分子间氢键。

2.根据权利要求1所述的生物医用水凝胶，其特征在于，所述的丙烯酸脲基乙酯或其衍生物具有如式(一)的结构式：

3.根据权利要求1或2所述的生物医用水凝胶，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵或偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐，所述引发剂为所述单体质量的0.05％-5％，所述交联剂为n，n’-亚甲基双丙烯酰胺或n，n-甲基双丙烯酰胺，所述交联剂为所述单体质量的0.01％-10％。

4.一种生物医用组织成像的方法，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤s1中的所述生物医用组织为小鼠脑，所述预处理方式为将小鼠脑置于固定液中固定8-12h，待小鼠脑组织固定后使用pbs缓冲液多次漂洗，除去小鼠脑组织中残留的pfa备用，所述固定液为浓度4％的pfa溶液，所述固定液的固定温度为4℃。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的丙烯酸脲基乙酯或其衍生物具有如式(一)的结构式：

7.根据权利要求4或6所述的方法，其特征在于，步骤s2中所述混合溶液中单体的质量分数为30％-70％，所述引发剂为过硫酸铵或偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐，所述引发剂质量为所述单体质量的0.05％-5％，所述交联剂为n，n’-亚甲基双丙烯酰胺或n，n-甲基双丙烯酰胺，所述交联剂质量为单体质量的0.01％-10％。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤s3中的渗透处理温度为4-10℃，渗透处理的时间为6-12h。

9.根据权利要求4或7所述的方法，其特征在于，步骤s4中原位聚合的反应温度为15℃-45℃，聚合时间为1min-24h。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤s4中所述水凝胶的压缩强度为0.327-0.798mpa，在pbs溶液中的平衡溶胀比为129％-135％。

技术总结
本发明属于生物医学新材料领域，涉及一种生物医用水凝胶及利用该水凝胶的生物组织成像方法。本发明首先通过在低温下使用丙烯类酰氧基烷基脲基酯小分子单体渗透到组织内部，通过引发该丙烯类酰氧基烷基脲基酯小分子单体的均聚或与交联剂共聚，在生物组织中原位快速合成聚合物水凝胶，快速形成均匀水凝胶包埋的组织样本，包埋的整体样品表现出良好的力学性能和抗溶胀性能，便于切削，同时水凝胶具有良好的生物相容性，使样本获得优良的荧光保持率，可用于组织切片成像应用。

技术研发人员：李怡雪,张冰怡,杜尚泊,徐清宇,李冲,朱明强
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15