一种定向排列冷冻凝胶纤维支架及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于生物医学材料技术领域，具体涉及一种定向排列冷冻凝胶纤维支架及其制备方法和应用。


背景技术：

2.在生物医学应用中，例如细胞治疗和组织工程，越来越需要设计先进的3d支架来为细胞提供结构和机械支持并促进组织再生。3d支架不仅需要模拟天然细胞外基质的复杂物理和生化特性，还需要促进细胞存活、增殖、迁移和分化以及宿主组织内的组织整合，这就要求3d支架由生物相容性和可吸收的聚合物制备，并且具备互连的大孔结构，基于目标组织，3d支架的孔径在10～400mm范围。
3.水凝胶具有高含水量、生物相容性以及与软组织相似的物理特性，被广泛用作3d支架，但是传统的水凝胶孔径小，不仅不利于细胞的运动，而且不利于细胞间蛋白的传递以及氧气和营养物质/代谢废物等分子的扩散，因而限制了其医学相关应用。目前，已有研究人员开发出了一种简单且环保的冷冻凝胶技术，在低温环境中预聚物溶液通过交联剂的作用进行低温交联，当溶剂冻结时会形成冰晶，凝胶前体溶液(单体、聚合物、交联剂和引发剂)存在于冰晶间的液相间，形成固液两相，凝胶前体溶液浓缩成未冻结的相，在冰晶周围形成高度交联的致密聚合物网络，在冰晶融化后，即可形成多孔互连的片层状结构冷冻凝胶。相对于水凝胶而言，冷冻凝胶实现了更高的孔隙率和互连大孔，但是相对于细胞的迁移和黏附而言，细胞倾向于黏附于纤维状结构的支架而不是片层状结构，片层状结构不能提供指导性线索增强细胞的增殖、迁移和分化。
4.目前，亚微米级纤维的来源主要有天然丝素纤维、静电纺丝、3d打印和微流控等。天然丝素纤维和静电纺丝得到的亚微米级纤维都存在结构过于致密的问题；3d打印和微流控得到的亚微米级纤维可以解决结构过于致密的问题，但是3d打印和微流控对设备的精密性有非常高的要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种定向排列冷冻凝胶纤维支架及其制备方法和应用，本发明提供的制备方法对设备要求低，成本低，安全环保，得到的纤维状冷冻凝胶定向排列且间距可调。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.本发明提供了一种定向排列冷冻凝胶纤维支架的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)将凝胶预聚物和溶剂混合，得到凝胶预聚物溶液；所述凝胶预聚物溶液的质量分数为0.05～0.2％；
9.(2)将所述凝胶预聚物溶液加入模具中，在-50℃～-90℃冷冻干燥，得到定向排列冷冻凝胶纤维支架；
10.所述模具底部接触设置有金属板。
11.优选的，所述凝胶预聚物包括甲基丙烯酸化明胶、壳聚糖、透明质酸和硫酸软骨素中的一种或几种。
12.优选的，所述冷冻干燥前将所述凝胶预聚物溶液和交联剂混合后加入模具中，在不高于-20℃温度下进行交联反应。
13.优选的，所述交联剂包括过硫酸铵和四甲基乙二胺中的一种或两种；所述凝胶预聚物溶液和交联剂的质量比为100:0.6～1.2。
14.优选的，所述交联反应的时间为16～24h。
15.优选的，所述冷冻干燥的时间为24～72h。
16.优选的，所述模具外包裹有保温材料；所述金属板设置于模具底部前进行预冷，所述预冷的温度不高于-20℃，预冷的时间为3～6h。
17.优选的，所述溶剂包括水和亚砜中的一种或几种。
18.本发明还提供了上述方案所述制备方法得到的定向排列冷冻凝胶纤维支架。
19.本发明还提供了上述方案所述定向排列冷冻凝胶纤维支架在制备医疗支架中的应用。
20.本发明提供了一种定向排列冷冻凝胶纤维支架的制备方法，本发明利用单向冷冻技术，由于冰晶生长具备取向性，在模具中预聚物溶液被保温材料包裹，底部接触-20℃以下的金属板，溶液的冷冻方向垂直于金属板进行单向冷冻，通过上述操作控制冷冻方向，根据冰晶生长方向调控冷冻凝胶方向，根据冰晶大小调控冷冻凝胶的空隙大小，使冷冻凝胶平行于冰晶生长方向；本发明还可以通过调节冷冻温度来控制冷冻凝胶的纤维间距，在不同的冷冻温度下，例如-20℃、-80℃和-190℃(液氮)，溶液形成的冰晶大小不同，温度越低冰晶越小，冰晶越小冷冻凝胶在周围液相中形成的凝胶网络越致密，支架冻干后冷冻凝胶孔隙率越小，因此冷冻温度相对较高(-20℃)时纤维间的间距较大，孔径及孔隙率较大，冷冻温度相对较低时纤维间的间距较小，结构更为致密，孔径及孔隙率较小，经过冷冻干燥后得到亚微米级的定向排列冷冻凝胶纤维支架。本发明提供的制备方法对原料的普适性好，步骤简单，操作方便，绿色环保，不依赖复杂设备。
21.进一步的，本发明将低浓度预聚物溶液和交联剂及引发剂混合，在-20℃以下的低温环境中冰晶平行于冷冻方向生长，单体、聚合物、交联剂和引发剂被浓缩于冰晶间的液相中，低浓度预聚物在冰晶周围进行低温交联，形成定向排列的纤维状冷冻凝胶。
22.本发明还提供了上述方案所述制备方法得到的定向排列冷冻凝胶纤维支架。本发明提供的定向排列冷冻凝胶纤维支架可以提供指导性线索来调控细胞行为，引导宿主细胞快速迁移进入支架，调节细胞的快速迁移和分化等行为，相比于传统水凝胶，本发明提供的定向排列冷冻凝胶纤维支架具有更大的孔隙率和互连大孔结构，有利于细胞快速进行氧气、营养物质和代谢废物的交换，维持细胞活性，同时减少机体对外源性支架的免疫反应。此外，本发明提供的定向排列冷冻凝胶纤维支架具有一定的形状恢复能力，交联网络密度较低，可压实程度较高，支架压缩后可以通过更细的注射针，可以为更细小的注射领域提供理想的可注射支架。
23.本发明还提供了上述方案所述定向排列冷冻凝胶纤维支架在制备医疗支架中的应用。本发明提供的定向排列冷冻凝胶纤维支架可用作细胞3d培养支架、细胞筛选和过滤、快速止血材料、诱导组织再生的可植入支架。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为实施例1制备的定向排列冷冻凝胶纤维支架在30倍镜下平行于纤维方向的扫描电镜图；
26.图2为实施例2制备的定向排列冷冻凝胶纤维支架在30倍镜下平行于纤维方向的扫描电镜图；
27.图3为实施例3制备的定向排列冷冻凝胶纤维支架在30倍镜下平行于纤维方向的扫描电镜图；
28.图4为实施例4制备的定向排列冷冻凝胶纤维支架在30倍镜下平行于纤维方向的扫描电镜图；
29.图5为实施例5制备的亚微米级壳聚糖纤维在30倍镜下平行于纤维方向的扫描电镜图；
30.图6为实施例6制备的亚微米级壳聚糖纤维在30倍镜下平行于纤维方向的扫描电镜图；
31.图7为实施例7制备的亚微米级壳聚糖纤维在30倍镜下平行于纤维方向的扫描电镜图；
32.图8为实施例8制备的亚微米级透明质酸纤维在30倍镜下平行于纤维方向的扫描电镜图；
33.图9为实施例9制备的亚微米级硫酸软骨素纤维在30倍镜下平行于纤维方向的扫描电镜图。
具体实施方式
34.本发明提供了一种定向排列冷冻凝胶纤维支架的制备方法，包括以下步骤：
35.(1)将凝胶预聚物和溶剂混合，得到凝胶预聚物溶液；所述凝胶预聚物溶液的质量分数为0.05～0.2％；
36.(2)将所述凝胶预聚物溶液加入模具中，在-50℃～-90℃冷冻干燥，得到定向排列冷冻凝胶纤维支架；
37.所述模具底部接触设置有金属板。
38.本发明将凝胶预聚物和溶剂混合，得到凝胶预聚物溶液。在本发明中，所述凝胶预聚物溶液的质量分数为0.05～0.2％；所述凝胶预聚物优选为在自由基聚合下能够形成凝胶的预聚物；所述凝胶预聚物更优选包括甲基丙烯酸化明胶、壳聚糖、透明质酸和硫酸软骨素中的一种或几种；当所述凝胶预聚物为甲基丙烯酸化明胶时，所述凝胶预聚物溶液的质量分数优选为0.1～0.2％，更优选为0.12～0.18％，进一步优选为0.14～0.16％；当所述凝胶预聚物为壳聚糖时，所述凝胶预聚物溶液的质量分数优选为0.05％～0.08％，更优选为0.05％；当所述凝胶预聚物为透明质酸时，所述凝胶预聚物溶液的质量分数优选为0.08％～0.15％，更优选为0.1％；当所述凝胶预聚物为硫酸软骨素时，所述凝胶预聚物溶液的质
量分数优选为0.08％～0.14％，更优选为0.1％；所述溶剂优选为预聚物的良溶剂，且所述溶剂在-20℃温度以下可以形成冰晶；所述溶剂更优选包括水和亚砜中的一种或几种；所述水优选为去离子水；所述亚砜优选为二甲基亚砜；所述凝胶预聚物和溶剂的混合方式优选为搅拌，所述搅拌的速率优选为400～600rpm，更优选为450～550rpm，时间优选为10～20min，更优选为14～17min。
39.得到凝胶预聚物溶液后，本发明将所述凝胶预聚物溶液加入模具中，在-50℃～-90℃冷冻干燥，得到定向排列冷冻凝胶纤维支架。在本发明中，所述冷冻干燥前优选将所述凝胶预聚物溶液和交联剂混合后加入模具中，在不高于-20℃温度下进行交联反应，反应结束后将得到的交联产物在-50℃～-90℃冷冻干燥；所述交联剂依据聚合物的聚合方式选择，所述交联剂优选包括甲醛、戊二醛、水溶性碳二亚胺、n-羟基磺基琥珀酰亚胺、过硫酸铵和四甲基乙二胺中的一种或几种，更优选为水溶性碳二亚胺和n-羟基磺基琥珀酰亚胺；所述凝胶预聚物溶液和交联剂的质量比优选为100:0.6～1.2，更优选为100:0.8～1.2，进一步优选为100:0.8～1.0；当所述交联剂为过硫酸铵和四甲基乙二胺的混合物时，所述过硫酸铵和四甲基乙二胺的质量比优选为10:1～4，更优选为10:1.5～3.5，进一步优选为10:2～3。在本发明中，所述交联反应前优选将倒入模具中的预聚物溶液进行液氮浴；所述液氮浴的时间根据样品大小确定，所述液氮浴的时间优选为1h以上，更优选为1～2h；液氮的温度为-190℃，模具在液氮浴中可以保持极低的温度，进而制备得到低孔隙率的冷冻凝胶。本发明通过选择低浓度的交联剂，可以减少材料的毒性，有利于后续的生物应用。
40.在本发明中，所述凝胶预聚物溶液和交联剂的混合方式优选为搅拌，所述搅拌的速率优选为400～600rpm，更优选为450～550rpm，时间优选为10～20min，更优选为12～17min；所述交联反应的温度不高于-20℃，优选为-20℃～-80℃，更优选为-20℃～-50℃；所述交联反应的时间优选为16～24h，更优选为18～20h；所述交联反应优选在冰箱中进行；所述冷冻干燥的温度为-50℃～-90℃，优选为-55℃～-80℃，更优选为-60℃～-70℃；所述冷冻干燥的时间优选为24～72h，更优选为36～60h；所述冷冻干燥优选在冷冻干燥机中进行。
41.在本发明中，所述模具底部接触设置有金属板，模具外优选包裹有保温材料；所述金属板接触设置于模具底部前优选进行预冷，所述预冷的温度优选不高于-20℃，更优选为-20℃～-80℃，所述预冷的时间优选为3～6h，更优选为4～5h；所述预冷的装置优选为冰箱；所述金属板优选为铝板、银板或铜板，金属板作为温度传输的器具，确保预聚物溶液形成冰晶的方向为垂直于金属板，在后续交联反应中，金属板一直置于模具下面，待交联完成，将模具取出，将其中的冷冻凝胶冷冻干燥即可获得定向排列冷冻凝胶纤维支架；所述金属板的长度
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宽度
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厚度优选为50～100mm
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50～100mm
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4～5mm，更优选为60～90mm
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60～90mm
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4～5mm；所述保温材料优选包括聚氨酯、聚苯乙烯泡沫塑料、酚醛泡沫和玻璃棉中的一种或几种。在本发明的具体实施例中，所述模具根据制备样品的形状和尺寸选择。
42.本发明还提供了上述方案所述制备方法得到的定向排列冷冻凝胶纤维支架。在本发明中，所述定向排列冷冻凝胶纤维支架中的纤维定向排列，所述纤维的间距为20～50μm；所述定向排列冷冻凝胶纤维支架孔隙率为96％～98％，孔径为20～50μm，密度为0.001～0.002g/cm3，可压实程度在90％以上。
43.本发明还提供了上述方案所述定向排列冷冻凝胶纤维支架在制备医疗支架中的
应用。在本发明中，所述定向排列冷冻凝胶纤维支架作为细胞筛选、快速止血材料和可植入支架的应用包括以下步骤：将定向排列冷冻凝胶纤维支架在-50℃～-90℃冷冻干燥，然后依次进行浸泡、二次冷冻干燥和灭菌。在本发明中，所述冷冻干燥的时间优选为24～72h，更优选为36～60h；所述浸泡用溶剂优选为水，更优选为纯水；所述浸泡的时间优选为4～6h，更优选为4～5h，以去除定向排列冷冻凝胶纤维支架制备过程中表面残留的未交联完全的交联剂aps和temed等杂质，减少生物毒性；所述二次冷冻干燥的温度优选为-50℃～-90℃，更优选为-60℃～-80℃，时间优选为24～72h，更优选为36～60h；所述二次冷冻干燥的设备优选为冷冻干燥机；所述灭菌优选为紫外灭菌；所述灭菌的时间优选为30～60min，更优选为40～50min，以达到无菌要求。
44.在本发明中，所述定向排列冷冻凝胶纤维支架作为细胞培养支架的应用方法与所述定向排列冷冻凝胶纤维支架作为细胞筛选、快速止血材料和可植入支架的应用方法一致，不同之处在于，还包括以下步骤：将灭菌后的定向排列冷冻凝胶纤维支架加入完全培养基，得到细胞培养支架。在本发明中，所述完全培养基的添加量优选根据定向排列冷冻凝胶纤维支架的大小确定。
45.为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明的方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
46.在本发明的具体实施例中，甲基丙烯酸化明胶和甲基丙烯酸化透明质酸购买自温州舒禾生物科技有限公司，型号分别为gelma ds100和hama ds100；甲基丙烯酸化壳聚糖购买自盖得化工网，货号为hn-cm；甲基丙烯酸化硫酸软骨素购买自阿拉丁，货号为m293382。
47.实施例1
48.将50～100mm
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50～100mm
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4～5mm的铜板置入冰箱中预冷6h，使得铜板温度和冰箱温度一致；将模具平整置于预冷的铜板上，除与铜板直接接触的面外，其余面覆盖一层聚氨酯；
49.将甲基丙烯酸化明胶gelma和去离子水混合，配制成0.1wt％的gelma溶液，然后依次加入0.5wt％的过硫酸铵aps和0.1wt％的四甲基乙二胺temed，将预聚物溶液混合均匀后迅速倒入单向冷冻模具，在-20℃冰箱中低温交联16h，16h后取出放入冷冻干燥机中-50℃冷冻干燥72h，得到定向排列冷冻凝胶纤维支架。
50.实施例2
51.将50～100mm
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50～100mm
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4～5mm的铜板置入冰箱中预冷5h，使得铜板温度和冰箱温度一致；将模具平整置于预冷的铜板上，除与铜板直接接触的面外，其余面覆盖一层聚氨酯；
52.将甲基丙烯酸化明胶gelma和去离子水混合，配制成0.1wt％的gelma溶液，然后依次加入0.5wt％的过硫酸铵aps和0.1wt％的四甲基乙二胺temed，将预聚物溶液混合均匀后迅速倒入单向冷冻模具，在液氮浴中放置20min，待聚合物溶液完全形成冰晶后转移至冰箱，在-80℃冰箱中低温交联16h，16h后取出放入冷冻干燥机中-90℃冷冻干燥60h，得到定向排列冷冻凝胶纤维支架。
53.实施例3
54.将50～100mm
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50～100mm
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4～5mm的铝板置入冰箱中预冷3h，使得铝板温度和冰箱温度一致；将模具平整置于预冷的铝板上，除与铝板直接接触的面外，其余面覆盖一层聚
氨酯；
55.将甲基丙烯酸化明胶gelma和二甲基亚砜混合，配制成0.2wt％的gelma溶液，然后依次加入0.5wt％的过硫酸铵aps和0.1wt％的四甲基乙二胺temed，将预聚物溶液混合均匀后迅速倒入单向冷冻模具，在-20℃冰箱中低温交联16h，16h后取出放入冷冻干燥机中-70℃冷冻干燥72h，得到定向排列冷冻凝胶纤维支架。
56.实施例4
57.将50～100mm
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50～100mm
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4～5mm的铜板置入冰箱中预冷6h，使得铜板温度和冰箱温度一致；将模具平整置于预冷的铜板上，除与铜板直接接触的面外，其余面覆盖一层聚氨酯；
58.将甲基丙烯酸化明胶gelma和二甲基亚砜混合，配制成0.2wt％的gelma溶液，然后依次加入0.5wt％的过硫酸铵aps和0.1wt％的四甲基乙二胺temed，将预聚物溶液混合均匀后迅速倒入单向冷冻模具，在液氮浴中放置20min，待聚合物溶液完全形成冰晶后转移至冰箱，在-80℃冰箱中低温交联16h，16h后取出放入冷冻干燥机中-60℃冷冻干燥72h，得到定向排列冷冻凝胶纤维支架。
59.实施例5
60.将壳聚糖和去离子水混合，配制成0.05wt％的100kda壳聚糖溶液，将所述壳聚糖溶液4℃预冷30min，然后迅速转移至单向冷冻模具中，在-20℃冰箱中放置6h形成冰晶，随后在冷冻干燥机中-50℃冷冻干燥72h，得到定向排列冷冻凝胶纤维支架。
61.实施例6
62.将壳聚糖和去离子水混合，配制成0.05wt％的200kda壳聚糖溶液，将所述壳聚糖溶液4℃预冷30min，然后迅速转移至单向冷冻模具中，在-20℃冰箱中放置6h形成冰晶，随后在冷冻干燥机中-50℃冷冻干燥72h，得到定向排列冷冻凝胶纤维支架。
63.实施例7
64.将壳聚糖和去离子水混合，配制成0.05wt％的300kda壳聚糖溶液，将所述壳聚糖溶液4℃预冷30min，然后迅速转移至单向冷冻模具中，在-20℃冰箱中放置6h形成冰晶，随后在冷冻干燥机中-50℃冷冻干燥72h，得到定向排列冷冻凝胶纤维支架。
65.实施例8
66.将透明质酸和去离子水混合，配制成0.1wt％的透明质酸溶液，将所述透明质酸溶液4℃预冷30min，然后迅速转移至单向冷冻模具中，在-20℃冰箱中放置6h形成冰晶，随后在冷冻干燥机中-50℃冷冻干燥72h，得到定向排列冷冻凝胶纤维支架。
67.实施例9
68.将硫酸软骨素和去离子水混合，配制成0.1wt％的硫酸软骨素溶液，将所述硫酸软骨素溶液4℃预冷30min，然后迅速转移至单向冷冻模具中，在-20℃冰箱中放置6h形成冰晶，随后在冷冻干燥机中-50℃冷冻干燥72h，得到定向排列冷冻凝胶纤维支架。
69.利用扫描电子显微镜对实施例1～9的定向排列冷冻凝胶纤维支架进行结构检测，结果如图1～图9所示。
70.图1为实施例1制备的定向排列冷冻凝胶纤维支架在30倍镜下平行于纤维方向的扫描电镜图，根据图1可知，本发明实施例1制备的定向排列冷冻凝胶纤维支架的纤维结构清晰可见，具有互连大孔结构，纤维间距大，孔隙率高，孔径均匀，交联网络密度低，可压实
程度高。
71.图2为实施例2制备的定向排列冷冻凝胶纤维支架在30倍镜下平行于纤维方向的扫描电镜图，根据图2可知，本发明实施例2制备的定向排列冷冻凝胶纤维支架的纤维结构清晰可见，相比于实施例1，互连大孔结构较少，纤维间距较小，孔隙率较低，孔径均匀，交联网络密度较高，可压实程度较低，可见本发明提供的定向排列冷冻凝胶纤维支架的纤维间距是可调的。
72.图3为实施例3制备的定向排列冷冻凝胶纤维支架在30倍镜下平行于纤维方向的扫描电镜图，根据图3可知，本发明实施例3制备的定向排列冷冻凝胶纤维支架的纤维结构清晰可见，相比于实施例1，互连大孔结构较多，纤维间距较大，孔隙率较高，孔径较为均匀，交联网络密度较低，可压实程度较高，有利于细胞快速进行氧气、营养物质和代谢废物的交换，维持细胞活性，减少机体对外源性支架的免疫反应。
73.图4为实施例4制备的定向排列冷冻凝胶纤维支架在30倍镜下平行于纤维方向的扫描电镜图，根据图4可知，相比于实施例1和实施例2在水溶液下制备的定向排列冷冻凝胶纤维支架，实施例4制备的定向排列冷冻凝胶纤维支架的纤维结构明显，可见二甲基亚砜也可作为溶剂溶解预聚物，在相同条件下制备定向排列冷冻凝胶纤维支架，对于水溶性较差而可溶于二甲基亚砜的预聚物，可以实现定向排列冷冻凝胶纤维支架的制备，因此本发明提供的制备方法不仅仅局限于水溶性好的预聚物，可溶解在二甲基亚砜中的预聚物也可以制备定向排列冷冻凝胶纤维支架。
74.图5～图9分别为实施例5～9制备的定向排列冷冻凝胶纤维支架在30倍镜下平行于纤维方向的扫描电镜图，相比于实施例1，实施例5～7中聚合物浓度为0.05％，实施例8～9中聚合物浓度为0.1％，可见本发明提供的制备方法根据聚合物的种类来确定合适的浓度，进而制备得到定向排列冷冻凝胶纤维支架。
75.对实施例1～9制备的定向排列冷冻凝胶纤维支架进行力学性能检测，检测方法为：将实施例1～9制备的定向排列冷冻凝胶纤维支架分别放置于空气中和水溶液中，观察其结构的完整性，同时通过观察定向排列冷冻凝胶纤维支架在空气和水中是否会发生坍塌判断定向排列冷冻凝胶纤维支架的稳定性和力学性能。结果表明，相比于实施例5～9制备的定向排列冷冻凝胶纤维支架未经过化学交联，实施例1～4经化学交联制备的定向排列冷冻凝胶纤维支架的稳定性和力学性能更佳，结构完整性更好。
76.由以上实施例可知，本发明提供的定向排列冷冻凝胶纤维支架具有更大的孔隙率和互连大孔结构以及形状恢复能力，纤维间距可调，交联网络密度较低，可压实程度较高，有利于细胞快速进行氧气、营养物质和代谢废物的交换，维持细胞活性，支架压缩后可以通过更细的注射针，适用于更细小的注射领域。
77.尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。