用于三维细胞培养的基底、其制备方法和应用 |
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| 申请号 | CN201611128638.9 | 申请日 | 2016-12-09 | 公开(公告)号 | CN107304409A | 公开(公告)日 | 2017-10-31 |
| 申请人 | 香港城市大学; | 发明人 | 申亚京; 戴高乐; 万文锋; | ||||
| 摘要 | 适合用作三维细胞培养的基底的层状材料包括透明载体层和透明导电层以及含有酞菁 氧 钛 的光导层。本 发明 还公开了一种用于制备层状材料的方法以及包括该层状材料和接收单元的制品。通过使用层状材料或制品，提供无需模塑的方法，该方法用于形成三维 水 凝胶并用于形成三维细胞培养。本发明还公开了层状材料的应用以及三维水凝胶和三维细胞培养的应用。所提供的层状材料、细胞培养和方法克服了目前已知技术的显著 缺陷 并允许经由快速且相对简单和廉价的方法高灵活和可控地形成各种三维水凝胶图案。所提供的层状材料以及包括该层状材料的制品能够被生产并方便小规模组装。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于制备层状材料的方法，所述层状材料适合作为三维细胞培养的基底，所述方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 用于三维细胞培养的基底、其制备方法和应用技术领域[0001] 本发明提供了一种适合作为三维细胞培养的基底的层状材料。所述层状材料包括含有酞菁氧钛的光导层。本发明还涉及一种用于生产所述层状材料的方法以及包括该层状材料的制品。本发明还提供了一种用于形成三维水凝胶以及用于形成三维细胞培养的方法。本发明还关于由本发明的方法分别可获得的层状材料和三维水凝胶以及三维细胞培养的应用。 背景技术[0002] 在二维细胞培养中，细胞是在表面上生长的，但是在三维细胞培养中，细胞是被相应的基底完全地包围着的，这种在维数上的改变显著影响了细胞环境的许多方面，即三维细胞培养能够提供更自然的环境来为培养细胞，由此三维细胞培养对于实验研究和临床应用而言是是很重要的技术。与传统的细胞培养相比，三维细胞培养尤其提供了更准确的方法以阐明在自然环境中的细胞活性。用于这种三维细胞培养的各基底材料和包埋细胞的方法(即用于形成含有细胞的基底材料)不准损害包埋在其中的细胞并且不准不利于包埋在其中的细胞。因此，用于准备这种三维细胞培养的材料和方法是有所限制的。 [0003] 随着生物医学和组织工程的快速发展，对细胞友好的三维细胞外基底材料的结构变得迫切需要。近几十年来，已经提出了用于在体外三维细胞培养的几种类型的基底材料，包括微孔和纳米纤维材料等基于天然来源的或合成的聚合物(包括作为水溶性聚合物的三维交联材料的水凝胶)。 [0004] 由于低且有限的效率和灵活性，应用于制备目前的三维细胞培养的多数方法仍处于初级阶段并且离商业化或大规模可用性有相当的距离。在这方面提出的技术包括立体光刻法、3D印刷、磁珠操作和3D-模塑。立体光刻方法采用激光逐层固化相应的基底材料以最终形成用于细胞培养的三维结构。在工业规模上而言，该方法在提供三维细胞培养方面是低效率的，并且应用的紫外光可能对细胞造成潜在的损害，并导致细胞中蛋白质的变性。此外，这种技术需要昂贵的设备。三维印刷以及迄今为止所报道的精细控制技术也遇到了若干缺点，例如，现有的精细操作技术具有低的效率。由于3D-铸造或模塑的再现性和稳健性，它被认为是最为可行的方法之一。负载有细胞的水凝胶在三维模具(也被称为掩膜，由诸如聚二甲基硅氧烷的材料制成)中形成。与其他常见的3D-制备技术例如光刻、3D-绘图及3-D印刷相比，3D-铸造能够产生一系列不同模式。然而，由于模具在制备之后不能或几乎不能改变，这种方法缺乏根据实际需要同时在形状和高度上适应三维水凝胶的灵活性。 [0005] 最近，用于基于电沉积制备三维水凝胶的方法已经被报道(Betz,J.F.et al.,Lab Chip 2013,13:1854,Shi,X.-W.et al.,Adv.Funct.Mater,2009,19:2074,Cheng Y.et al.,Lab Chip,2011,11:2316)。然而，电极图案必须通过昂贵且耗时的精密加工预先制备，并且一旦制备就很难改变三维水凝胶的形状。另一种已报道的方法通过在氧化铟锡玻璃板+上沉积重掺杂的氢化非晶硅(nα-Si:H)和未掺杂的α-Si:H材料上形成光导板(Huang,S.-H.et al.,Biomicrofluidics,2011,5:034109)。这种多层板能够通过调整可见光投射暂时触发在基底上的电极图案。然而，这种多层板的制备仍需要在清洁室中，以高度专业且昂贵的精密加工来进行。此外，α-Si:H板对所施加的电场具有低物理耐受性的显著缺点，这导致了高的失败率。因此，由于关于光导材料和复杂加工过程这两者的显著缺点，所述方法还远未成熟。 [0006] 因此，3-D模塑和电沉积方法对于形成三维细胞培养已显示出了一些效用。然而，所需模具或图案化电极的制备不能避免在清洁室中复杂的精密加工。因此，这些技术的应用还仅限于小实验室规模。 [0007] 因此，仍然强烈需要能够分别用于形成三维基底材料和三维细胞培养的手段和方法，这些手段和方法特别能够以具备成本效益、快捷和易于操作的方式提供具有多种尺寸和高度的不同三维模式，并且其适用于数种细胞类型以及三维基底材料和细胞培养的高规模化生产。特别地，迫切需要能够小规模选择和培养特定的靶细胞的方法和手段。 发明内容[0008] 本发明第一方面提供了一种用于制备特别适合作为三维细胞培养基底的层状材料的方法。本发明的所述方法包括步骤(i)：提供第一电导体。所述第一电导体包括第一透明载体层和设置在第一透明载体层上的第一透明导电层。本发明的方法包括另一步骤(ii)：施加光导层至第一导体的第一透明导电层的与对着第一透明载体层的表面相反的表面上。所述光导层含有光导化合物，其中，光电导化合物包括酞菁氧钛(TiOPc)。 [0009] 本发明还提供了由所述方法分别可获得的以及所获得的层状材料。 [0010] 在另一个方面中，本发明涉及一种用于在上述层状材料上形成三维水凝胶的方法。该方法包括步骤(i)：将光导层的与对着第一透明导电层的表面相反的表面与水凝胶前体组分接触。水凝胶前体组分含有二价阳离子源和海藻酸盐源。该方法还包括步骤(ii)：从水凝胶前体组分电化学沉积三维水凝胶至层状材料的光导层的所述表面上。 [0011] 本发明还提供了一种用于形成三维细胞培养(即包括至少二层或更多层层叠细胞层的细胞培养)的方法。所述方法包括步骤(i)：按如上所述形成三维水凝胶，其中，水凝胶前体组分含有细胞。该方法包括另一步骤(ii)：通过施加细胞起始生长、分化和/或成熟的条件在三维水凝胶中培养细胞。 [0012] 可替代地，用于形成三维细胞培养的所述方法包括步骤(i)：按如上所述形成三维水凝胶，其中，水凝胶前体组分任选地含有细胞。在另一步骤(ii)中，将细胞施加到三维水凝胶中。该方法的另一步骤(iii)包括在三维水凝胶中培养细胞或者通过施加细胞起始生长、分化和/或成熟的条件而施加它。 [0013] 本发明还涉及由上述用于形成三维细胞培养的方法分别可获得的和所获得的三维细胞培养。 [0014] 在另一方面中，本发明涉及由上述用于形成三维水凝胶的方法分别可获得的和所获得的三维水凝胶的应用，用途涉及三维细胞培养、再生医学、药物筛选、毒性测试或者药物传输或者微器官系统的提供。 [0015] 本发明的再一个方面涉及由上述用于形成三维细胞培养的方法分别可获得的以及所获得的三维细胞培养的应用，用途涉及再生医学、药物筛选、毒性测试或者药物传输或者微器官系统的提供。 [0016] 在另一方面中，本发明涉及一种包括上述层状材料和接收单元的制品。所述接收单元包括第二电导体以及至少第一非导电隔板元件或第三透明载体层或者它们两者。具体地，所述接收单元包括第二电导体、至少第一非导电隔板元件以及优选的另外的第三透明载体层。所述制品任选地还包括选择性地含有细胞的水凝胶前体组分。 [0017] 本发明还涉及一种用于组装上述制品的方法，该方法尤其地包括以下步骤：提供第二导体和至少第一非导电隔板元件；并将第二导体与层状材料或第三透明载体层通过在它们之间插入至少第一非导电隔板元件而隔开，从而特别形成了矩形腔室；选择性地提供从接收单元的外表面延伸至腔室的通道。 [0018] 在另一方面中，本发明涉及包括上述层状材料和容器的配套元件(kit)。所述配套元件任选地还包括水凝胶前体组分、上述接收单元、任选的直流电压源(特别是电池)、任选的计算机控制单元、任选作为可见光光源的投影仪、任选的显微镜；所述水凝胶前体组分含有海藻酸盐源和二价阳离子源以及任选的细胞；所述接收单元具体地包括第二导体和第三透明载体以及至少第一非导电隔板元件，所述第二导体包括第二透明载体层和第二透明导电层。 [0019] 本发明的层状材料，尤其是基于包括酞菁氧钛的光导化合物的层状材料，可用于生产非常广泛的三维水凝胶图案，从而通过控制可见光投影图案、电源密度和沉积时间进行即使是少量细胞的三维细胞培养，这是非常有利的。它促使了三维水凝胶的形成以及促使具有不同形状和大小、位置进而几何结构的相应的细胞培养。所述层状材料能够在带有可见光(其可以由商业投影仪生成)的特定照射下形成临时电场。这并不需要使用UV光，避免了潜在辐射损伤细胞。更进一步地，本发明的层状材料可以通过简单且廉价的方法甚至在环境条件下特别是在居室环境下生产。由于它的优异的组成，本发明的层状材料对电场具有特殊的物理耐受性。 [0020] 因此，所述层状材料、制品和配套元件以及所提供的方法为高度灵活性的非模塑3D凝胶图案提供了全新的机会，这预期在组织工程和生物医学领域具有显著的影响。最后但同样重要的是，本发明的层状材料以及制品具有尺寸小的优势，并因此甚至能够集成到显微镜中，即，能够放置在常规光学显微镜的载物台上，由此能够在显微镜下特定地选择靶细胞以将该细胞包埋在三维水凝胶中，从而特定地形成具有已选择的靶细胞的细胞培养物。 附图说明[0022] 图1A、1B、1C示出了可见光在本发明的层状材料上诱导三维水凝胶的成形。图1A示出了本发明的层状材料、第二导体和用于形成三维水凝胶的方法的一种具体实施方式。图1B示出了三维水凝胶形成的反应机理。图1C显示了所形成的具有不同尺寸的三维水凝胶的荧光图像。 [0023] 图2A、2B、2C、2D、2E示出了本发明的层状材料的制备，并显示了本发明的层状材料的特性。图2A示出了分别用于制备本发明的层状材料和制品的方法的一种具体实施方式。图2B为层状材料的SEM(扫描电子显微镜)图像。图2C为层状材料的光导层的放大顶视图。图 2D为所产生的层状材料的图片与显示光导层沿光导层的不同位置的厚度的曲线图。图2E为光导层的横截面图。 [0024] 图3A、3B、3C、3D、3E显示了沉积时间和电流密度对三维水凝胶形成的影响。图3A为本发明的制品的具体实施方式的图片。图3B为所形成的三维水凝胶的顶视图。图3C为所形成的三维水凝胶的侧视图。图3D为沉积时间与所形成的三维水凝胶的高度的关系曲线图。图3E为电流密度关于所形成的三维水凝胶的高度的曲线图。 [0025] 图4A、4B、4C、4D示出了通过使用本发明的层状材料形成的具有不同结构的三维水凝胶。图4A为具有不同的尺寸和形状的水凝胶的荧光图像。4B显示了笑脸状结构。4C显示了所形成的字符GEL。图4D显示了所形成的圆形图案。 [0026] 图5为层状材料、带有接收单元的制品、可能配套元件的组件以及用于形成三维水凝胶的方法的优选实施方式的示意图。 [0027] 附图标记说明 [0028] 1、第一透明载体层 2、第一透明导电层 3、光导层 4、第一导体[0029] 5、层状材料 6、第二透明导电层 7、第二透明载体层 [0030] 8、第二导体 9、显微镜 10、电压源 11、可见光[0031] 12、三维水凝胶的岛 13、二价阳离子源 14、二价阳离子 15、电子[0032] 16、含光导化合物的组分 17、牺牲层 18、热板[0033] 19、第一和第二非导电隔板元件 20、第三透明载体层 [0034] 21、具有任选含有细胞的三维水凝胶的岛的层状材料 [0035] 22、可见光源 23、计算机控制单元 24、包括层状材料和接收单元的制品[0036] 25、任选含有细胞的水凝胶前体组分 具体实施方式[0037] 在第一方面中，本发明提供了一种用于制备适合作为三维细胞培养基底的层状材料的方法。所述方法包括以下步骤： [0038] (i)提供第一电导体(以下称为“第一导体”)，其中，第一导体包括第一透明载体层和设置在第一透明载体层上的第一透明导电层； [0039] (ii)施加光导层至第一透明导电层的与对着第一透明载体层的表面相反的表面上，以形成层状材料，所述光导层含有光导化合物，其中，光电导化合物包括酞菁氧钛。 [0040] 因此，步骤(i)中第一导体的第一透明导电层具有与对着第一透明载体层的表面相反的表面以及对着第一透明载体层的表面。相应地，第一透明载体层具有与对着第一透明导电层的表面相反的表面以及对着第一透明导电层的表面，即，第一透明导电层设置在第一透明载体层上。此外，步骤(ii)得到的层状材料的光导层具有与对着第一透明导电层的表面相反的表面以及对着第一透明导电层的表面。 [0041] 本文所用的术语“光导”是指材料在非照明状态下具有和在照明状态下(具体地是在不照射可见光的状态下以及在施加可见光的状态下)不同的导电性能。一般而言，当光被这种材料吸收后，游离电子和电子空穴的数量增加并且其导电性提高。“可见光”通常是指人眼可见的电磁波谱的部分，即，具有约380nm至800nm、尤其具有约400nm至700nm的波长的电磁辐射。 [0042] 本文所用的术语“导电”指的是导电性。“非导电材料”是指根本不导电或传导微不足道电力的那些材料。即术语非导电材料特别包括未归为导体(例如绝缘体)且与本发明的透明导电层相比具有显著较低的电导率的材料。优选地，本文所用的“非导电”是指在20℃下的电导率不超过10-7S/m、尤其是不超过10-8S/m。本领域技术人员知晓适用于测定材料的电导率的方法。 [0043] 本文使用的术语“透明”是指能够在没有明显的散射或吸收下透射可见光的各材料。更具体地，在适合于如下所示的本发明的层状材料或制品的相应的材料的厚度下，总透射率优选为至少60％，更优选为大于65％，并且特别优选为大于80％。这样的透射率值优选是在相应的材料的厚度高达10μm、优选高达100μm、更优选高达1000μm或者甚至是高达5000μm下实现的。透射率和透射系数能够分别通过本领域技术人员公知的常规方法测定，特别是按照ASTM D 1003通过常规的分光光度计或雾度计测定。具体地，在相应的材料的合适厚度下，通常在相应的材料的厚度高达10μm、优选高达100μm、更优选高达1000μm或者甚至是高达5000μm下，相应的材料的雾度值小于40％，优选小于30％，更优选小于10％。雾度值是透明材料的雾度的测量。该值描述了通过被照射材料散射或反射的透射光的部分。在相应的材料的合适厚度下，通常在相应的材料的厚度高达10μm、优选高达100μm、更优选高达1000μm或者甚至是高达5000μm下，内透过率(即考虑可能的吸收)特别为高于65％，优选高于70％，更优选高于85％。 [0044] 本文使用的术语“层”优选是指长度和宽度分别大于厚度的平面材料和板状材料，因此层具有一定的厚度并垂直于横向尺寸(即长度和宽度)。具体地，“层状材料”沿其水平尺寸、即沿其长度和宽度的不同点上具有基本上相同的厚度。这也适用于根据本发明制备的层状材料，该层状材料通常为长度和宽度分别大于厚度的平面材料和板状材料，因此层状材料具有一定的厚度并垂直于横向尺寸(即长度和宽度)。 [0045] 除非另外说明，用于本专利申请中三维水凝胶的颗粒或岛的“直径”优选指在该颗粒或岛的最厚点上的费雷特径。费雷特径是指目标尺寸沿着特定方向的度量，并且可以被定义为将目标限定至垂直于该方向的两个平行平面之间的距离。费雷特径可以通过例如显微镜法测定。即，如果颗粒或岛的不同方向测得的费雷特径不同，那么本专利申请中的“直径”总是指测得的最大值。“平均直径”是指“直径”的平均值，优选为至少10个颗粒测得的直径的平均值。 [0047] 携带并且为层状材料特别提供进一步稳定性的第一透明载体层可以是柔性的或刚性的，并且可以含有选自玻璃、塑料或它们的混合物的材料，具体地含有选自玻璃、丙烯酸树脂(例如聚甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯、聚酯(例如聚对苯二甲酸乙酯)、聚苯乙烯、聚酰胺、聚乙烯醇缩醛、聚氯乙烯、聚烯烃、聚砜、聚酰亚胺或它们的混合物的材料，具体地是含有选自玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙酯或它们的混合物的材料。更优选地，第一透明载体层含有玻璃，具体地是由玻璃组成。本领域技术人员能够选择合适的玻璃。示例性且非详尽地，所述玻璃可以选自熔融石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅玻璃、磷酸盐玻璃、碱玻璃、碱土玻璃或钠钙玻璃中的一种或多种。 [0048] 第一导体的第一透明导电层(透明且导电的层)优选含有选自由导电聚合物、金属、碳纳米管、杂化石墨烯材料或结晶金属氧化物组成的组的材料，所述导电聚合物例如为聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT/PSS)、PEDOT或者掺杂有碘或2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌的聚(4,4-二辛基环戊并-二噻吩)，所述结晶金属氧化物例如为氧化锡、氧化锌、氧化铟锡(ITO)、氧化镉、氧化铬、铜铁矿和钙铝石型导电性氧化物(诸如通式为CuxAyOz，即铜、另外一种(或多种)金属A以及氧O的三元材料组合的那些)。金属氧化物可以是掺杂的，即，在常规晶格中具有小比例的外来原子。具体地，金属氧化物包括ITO、氟掺杂的氧化锡或铝掺杂的氧化锌。 [0049] 第一透明导电层优选含有ITO，更优选地，ITO为第一透明导电层的主要成分。ITO为本领域技术人员公知，并且通常被称为铟、锡和氧按不同比例的三元化合物，其通常是配方为74重量％的In、18重量％的O2以及8重量％的Sn的氧饱和化合物。它为氧化铟(III)(In2O3)和氧化锡(IV)(SnO2)的固溶体。 [0050] 在本发明的优选实施方式中，第一导体由第一透明载体层和第一透明导电层组成。 [0051] 在本发明的特别优选的实施方式中，第一导体包括并更优选由ITO镀膜玻璃组成，即作为第一透明载体层和第一透明导电层的玻璃含有ITO。本领域技术人员知晓ITO镀膜玻璃的组成和制备。后者也可商购得到。 [0052] 第一透明导电层的厚度优选小于10μm，更优选小于1μm，特别是小于500nm。第一透明载体层的厚度优选小于5000μm，更优选小于1000μm。本领域技术人员能够测量这些层的厚度。 [0053] 施加有光导层的第一透明导电层的表面具有至多50mm×50mm、优选至多40mm×40mm、更优选至多30mm×30mm、特别是低于30mm×30mm的尺寸。所述光导层含有光导化合物，其包括酞菁氧钛(TiOPc)，光导化合物具体地为TiOPc。酞菁氧钛是本领域技术人员公知的天然非导电材料。本发明所包括的为TiOPc的多晶型形式以及不同晶体结构，包括α、β、γ、m、Y、A和B型。光导层优选还含有在其中嵌入有TiOPc颗粒的聚合物，尤其是以具有小于 100μm、优选小于50μm、特别是约10μm的平均直径的颗粒的形式嵌入。该聚合物优选含有并最优选由聚乙烯醇缩丁醛组成。 [0054] 光电导层的厚度优选为0.5μm至20μm，更优选为0.5μm至15μm，更优选为0.5μm至10μm，进一步优选为1μm至10μm。优选地，该厚度沿着光导电层长度和宽度的变化不超过+/-10μm，优选不超过+/-6μm，特别是不超过+/-4μm。光电导层的厚度可以通过例如扫描电镜(SEM)或触针轮廓曲线仪(如BRUKER DektakXT)测定。 [0055] 用于制备本发明的层状材料的方法的步骤(ii)优选包括以下步骤： [0056] a)供应含光导化合物的组分至第一导体的第一透明导电层的与对着第一透明载体层的表面相反的表面上； [0059] 所述步骤a)至c)尤其是步骤b)的存在使TiOPc在光导层中均匀地分布以及使光导层具有均匀的性质，这些分布以及性质都是有利的，同时允许以更简化且廉价的方式将光导层施加至第一导体的第一透明导电层。步骤a)至c)优选在室内环境下进行，优选在20℃-30℃的温度下以及约101,325Pa的绝对压力下进行，更优选在约25℃的温度下以及约101, 325Pa的绝对压力下进行。 [0060] 步骤a)优选包括将含光导化合物的组分滴加到所述表面上，即，含光导化合物的组分优选通过滴加而施加到第一导体的第一透明导电层的所述表面上。在优选实施方式中，将300μL-700μL、优选450μL-550μL、尤其是约500μL的含光导化合物的组分施加至、优选滴加至第一导体的第一透明导电层的与对着第一透明载体层的表面相反的所述表面上，其中，第一透明导电层的表面具有10mm×10mm至50mm×50mm、优选至多30mm×30mm、更优选低于30mm×30mm的尺寸。 [0061] 步骤b)优选在1000rpm-6000rpm、更优选在200rpm-2000rpm并且最优选在400rpm-1800rpm的转速下进行。优选地，步骤b)进行至少10秒，更优选至少30秒，具体地为30秒-75秒。在本发明的优选实施方式中，随后施加至少第一和第二旋转速度，具体地是第一和第二旋转速度。更优选地，施加第一旋转速度以在表面上充分地均匀分散含光导化合物的组分，接着施加第二旋转速度以在表面上产生含光导化合物的组分的层的期望厚度。优选地，第二旋转速度大于第一旋转速度，更优选地，第一旋转速度为200rpm-800rpm，并且第二旋转速度为900rpm-2000rpm。在本发明的具体实施方式中，在步骤b)中施加1500rpm的旋转单速约30秒。在一种替代实施方式中，步骤b)中施加约500rpm的第一旋转速度约15秒，接着施加约1000rpm的第二旋转速度约60秒。 [0062] 优选地进行热处理，即步骤c)，使得光导层被固化并紧密结合到第一导体的第一透明导电层的表面上。所述热处理可以通过将带有含光导化合物的组分的第一导体置于真空干燥箱中加热干燥而进行。所述热处理优选通过将带有含光导化合物的组分的第一导体放置在热板上，从而使得第一导体的与供应有含光导化合物的组分的表面相反的表面与热板接触而进行。优选地，将带有含光导化合物的组分的第一导体放置在热板上，从而将第一透明载体层的与对着第一透明导电层的表面相反的表面(即与设置有第一透明导电层的表面相反的表面)与热板接触。优选地，将第一透明载体层的与对着第一透明导电层的表面相反的表面与热板直接接触，即，在它们之间没有额外的材料。热板为包括可加热材料的板状元件。可以使用带有特定电加热元件的商购热板。 [0063] 将根据本发明的热板加热到80℃的温度，且优选具有至少80℃的温度。优选地，热板具有至少100℃的温度，且更优选具有在100℃和200℃之间的温度，更优选具有在110℃和150℃之间的温度，且最优选具有约120℃或约130℃的温度。将层状材料在热板上优选放置至少10分钟，更优选至少20分钟，且最多60分钟，且最优选约30分钟。 [0064] 含光导化合物的组分含有光导化合物以及优选进一步含有聚合物或聚合物前体，所述光导化合物包括TiOPc，所述前体能够在施加条件以及溶剂下形成聚合物。所述聚合物优选为聚乙烯醇缩丁醛。所述含光导化合物的组分优选含有TiOPc与聚合物(具体地是聚乙烯醇缩丁醛)，TiOPc与聚合物的重量比为1:1和3:1之间、优选重量比为1.5:1和2.5:1之间、更优选重量比为约2:1。 [0065] 所述溶剂优选包括氯化烃(例如二氯乙烷或邻二氯苯)、环醚(例如四氢呋喃)、脂族或环酮(例如甲基乙基酮(丁酮)或环己酮)或它们的混合物。最优选地，所述溶剂含有且具体地由脂族酮和环酮的混合物组成，具体地是由甲基乙基酮和环己酮组成，更优选由体积比为0.8:1到1.2:1之间、具体地是约1:1的甲基乙基酮和环己酮组成。 [0066] 聚合物或聚合物前体以及溶剂的存在，特别是以聚乙烯醇缩丁醛以及甲基乙基酮和环己酮的混合物作为溶剂，更有助于所得到的光导层的物理性能的改善，并从而更有助于本发明层状材料的物理性能在电场下进一步改善。 [0067] 含光导化合物的组分能够通过包括以下步骤的方法制备： [0068] a)提供溶剂，所述溶剂优选为甲基乙基酮和环己酮的混合物，且优选地进行搅拌； [0069] b)往溶剂中加入TiOPc以及任选的聚合物或聚合物前体；并且 [0071] 如果溶剂中含有多于一种成分，例如甲基乙基酮和环己酮的混合物，那么步骤a)所述的混合物优选搅拌至少10分钟，例如在约700rpm下搅拌约20分钟。TiOPc优选以颗粒形式加入到步骤a)的溶剂中。所述聚合物优选为聚乙烯醇缩丁醛，特别是粉末形式的聚乙烯醇缩丁醛。 [0072] 在步骤c)中，所述组分可以被混合、研磨或它们两者，例如，先搅拌随后研磨。搅拌可以进行至少5小时，优选至少8小时，具体地在至少5000rpm下、尤其在约1200rpm下进行约10小时。研磨优选在球磨机中进行，更优选在至少300rpm的旋转下进行，更优选在至少 400rpm的旋转下进行。优选地，研磨进行至少5小时，更优选进行至少8小时，特别是进行约 10小时。在本发明的具体实施方式中，步骤c)在球磨机中在约420rpm下球磨10小时。在另一种实施方式中，步骤c)通过在1200rpm下搅拌10小时而进行。 [0073] 优选地，用于制备层状材料的方法包括在步骤(i)之后且在步骤(ii)之前(即，在步骤(i)和步骤(ii)之间)进行的另一步骤：施加牺牲层至第一导体的第一透明导电层的一部分上，从而优选使得第一透明导电层的与对着第一透明载体层的表面相反的表面的至多40％被所述牺牲层覆盖。所述牺牲层可以含有并由不会与在光导层和第一透明导电层中的成分相互作用的、同时能够不损伤第一透明导电层而从第一透明导电层中轻易去除的材料组成。所述牺牲层可以含有基材，例如，聚氯乙烯或涂布有粘合剂的聚丙烯。可用使用市售胶带。在牺牲层在步骤(i)和(ii)之间进行的具体实施方式中，光导层在步骤(ii)中施加至第一透明导电层的未被牺牲层覆盖的表面部分上。因此，光导层覆盖了第一透明导电层的与对着第一透明载体层的表面相反的表面的至少60％。在牺牲层在步骤(i)和(ii)之间进行的具体实施方式中，用于制备层状材料的方法在步骤(ii)之后还包括如下步骤：从第一透明导电层去除牺牲层。因此，在层状材料的各表面上，两种不同的材料(即光导电层和第一透明导电层)被露出来。层状材料的暴露第一透明导电层的表面部分能够用于施加电压，特别是用于将层状材料连接至电压源。 [0074] 因此，在牺牲层在步骤(i)和(ii)之间施加的具体实施方式中，用于制备本发明的层状材料的方法包括： [0075] ·上述步骤(i)，其中，在这些具体实施方式中，步骤(i)之后将牺牲层施加至第一导体的第一透明导电层上，从而使得第一透明导电层的与对着第一透明载体层的表面相反的表面的至多40％被所述牺牲层覆盖； [0076] ·上述步骤(ⅱ)，其中，在这些具体实施方式中，将光导层施加至第一透明导电层的与对着第一透明载体层的表面相反的表面的且未被牺牲层覆盖的部分上； [0077] ·另一步骤(iii)，从第一透明导电层去除牺牲层。 [0078] 优选地，将牺牲层施加至第一透明导电层，这样覆盖了第一透明导电层的与对着第一透明载体层的表面相反的表面的2％-35％，更优选5％-30％。 [0079] 图2A示例性地示出了本发明的方法的一种优选实施方式，提供了具有第一透明载体层(1)和第一透明导电层(2)的第一导体，其中，将牺牲层(17)附着到第一透明导电层的与对着第一透明载体层(1)的表面相反的表面的一部分上。将含光导化合物的组分(16)通过滴加施加至第一透明导电层的未被牺牲层覆盖的表面部分上。接着，围绕旋转轴旋转第一导体，所述旋转轴垂直于滴加有含光导化合物的组分的表面，从而使得所述含光导化合物的组分遍布于表面。接着通过将层状材料置于热板(18)上从而使得第一透明载体层的与在其上设置第一透明导电层的表面相反的表面与热板接触而进行热处理。接着去除牺牲层(17)。 [0080] 采用本发明的方法所获得的或可获得的层状材料的水平尺寸(即长度和宽度)优选至多为50mm×50mm，更优选为10mm×10mm与40mm×40mm之间，尤其是约30mm×30mm。 [0081] 本发明还涉及采用上述方法分别可获得的或所获得的层状材料。在具体的实施方式中，所述层状材料的第一导体由含有玻璃的第一透明载体层以及含有ITO的第一透明导电层组成，且其中光导化合物包括且特别是由TiOPc组成，并且其中光导层优选还含有聚合物，特别是聚乙烯醇缩丁醛。 [0082] 优选地，在由本发明的方法可获得的或所获得的层状材料的与暴露第一透明载体层的表面相反的表面上，光导层和第一透明导电层均暴露出来。在优选实施方式中，光导层覆盖了第一导体的第一透明导电层的与对着第一透明载体层的表面相反的表面的60％-90％，优选70％-95％。 [0083] 图1A示出了第一透明载体层(1)、第一透明导电层(2)以及光导层(3)的优选实施方式，其中，第一导体(4)由第一透明载体层(1)和第一透明导电层(2)组成。层状材料(5)由第一导体和光导层组成，其覆盖了第一导体的第一透明导电层的与对着第一透明载体层的表面相反的部分表面。将电压源(10)连接到第一透明导电层的与对着第一透明载体层的且未被光导层覆盖的表面部分上。 [0084] 本发明还提供了在通过用于制备如上所述的层状材料的方法所获得的且可获得的层状材料上形成三维水凝胶的方法。用于在层状材料上形成三维水凝胶的所述方法包括以下步骤： [0085] (i)将光导层的与对着层状材料(如上所述的层状材料的方法所获得的且可获得的层状材料)的第一透明导电层的表面相反的表面与水凝胶前体组分接触，其中，水凝胶前体组分含有二价阳离子源和海藻酸盐源； [0086] (ii)从水凝胶前体组分电化学沉积三维水凝胶至光导层的所述表面上，即，光导层的与对着第一透明导电层的表面相反的表面上。 [0087] 步骤(ii)优选包括在层状材料和第二导体之间施加电压(尤其是直流电压)并施加可见光到层状材料。 [0088] 电压通过电压源施加。可见光通过可见光源施加。 [0089] 可见光优选在应用电压之前或应用电压的过程中、更优选在应用电压的过程中施加。 [0090] 电压优选在层状材料和第二电导体(以下称为“第二导体”)之间施加。第二导体优选包括第二透明载体层以及设置在第二透明载体层上的第二透明导电层，其中，电压尤其地在层状材料的第一透明导电层与第二导体的第二透明导电层之间提供。 [0091] 因此，第二导体的第二透明导电层具有与对着第二透明载体层的表面相反的表面以及对着第二透明载体层的表面。第二透明载体层具有与对着第二透明导电层的表面相反的表面以及对着第二透明导电层的表面，即第二透明导电层设置在其上。 [0092] 所施加的电压优选为1V-20V，更优选为1V-15V，更优选为1V-10V，更优选为2V-8V，特别为约3V。过高的电压可能与增加的细胞损伤相关(当中细胞是任选地包含在水凝胶前体组分中)，因为质子会随着所得pH的降低以及二价阳离子释放的增加而产生。电压源优选为直流电压源，更优选为电池。即，优选地，将直流电压施加至步骤(ii)中。 [0093] 在本发明的水凝胶前体组分含有细胞的具体实施方式中，该方法优选包括在进行步骤(ii)之前(即在步骤(i)之后且在步骤(ii)之前)的另一步骤。所述另一步骤包括通过交流电压源施加交流电压，随后施加可见光。当施加交流电压和可见光时，这些具体实施方式使包含在水凝胶前体组分中的细胞得以收集。例如，包含在水凝胶前体组分中的细胞能够被分离，从而使得特定的靶细胞被嵌在随后形成的三维水凝胶中。随后通过在步骤(ii)中施加直流电压，在这些具体实施方式中，将水凝胶电化学沉积以包埋所包含的细胞。 [0094] 电流密度优选保持恒定在1Am-2-5Am-2，优选在1Am-2至小于4Am-2之间，特别是在3Am-2下保持至少10秒，更优选保持至少20秒至最多5分钟，特别是保持3分钟。 [0095] 施加的可见光的强度优选为200lm-1000lm，特别为200lm-750lm，优选为约350lm。可见光优选穿过包括第一透明载体层和第一透明导电层的第一导体施加至光导层，特别是使得可见光先穿过第一透明载体层进入层状材料，具体地是穿过第一透明载体层的与对着第一透明导电层的表面相反的表面进入层状材料。可见光源到层状材料的距离，具体地是到第一透明载体层的与对着第一透明导电层的表面相反的表面的距离，优选至少为0.5厘米，更优选至少为1厘米，特别为约1厘米。可见光源可以选自选择性地带有可变掩膜的商业手电筒。可选地，带有优选数字镜像模式的可程序化可见光投射系统能够被用作可见光源。 可见光源能够被用于在光导层中获得具有例如最多4mm、特别是2mm平均直径的圆形图案。 [0096] 图1A示出了具有层状材料(5)以及第二导体(8)的优选实施方式，所述第二导体(8)具有第二透明载体层(7)和第二透明导电层(6)，其中，电压通过电压源(10)被施加到第一透明导电层(2)和第二透明导电层(6)上。可见光(11)被施加到光导层(3)上，从而使得所述可见光(11)先进入第一透明载体层(1)的与对着第一透明导电层的表面相反的表面并接着穿过光导层(3)。 [0097] 作为施加电压和可见光的结果，在光导层中的光导化合物变成导电的，从而使得它能够触发跨越水凝胶前体组分的电场并产生氢离子(H+)。所得pH值被证明是足够低的以从二价阳离子源中原位释放二价阳离子。在这个过程中，电极(即阳极)通过可见光的应用暂时产生，这对于允许简易设置并具体控制三维水凝胶的形成是非常有利的。可见光和电压的使用以及本发明的层状材料的结构为高灵活性且不需要任何3-D模塑的三维水凝胶的具体控制形成提供了有利的方式。 [0098] 优选地，进行步骤(ii)，从而将水凝胶的至少一个岛连接到层状材料的光导层的与对着第一透明导电层的表面相反的表面上。水凝胶岛优选直接连接到所述表面上，即，三维水凝胶与所述表面直接接触，从而使三维水凝胶与与光导层直接接触。所述至少一个岛的直径至少为100μm，更优选至少为1000μm。优选地，在光导层上获得至少两个或更多个岛。岛的数量和形状具体地取决于施加的可见光图案。岛可以具有任何形状，例如，圆形、正方形和三角形。如果水凝胶前体组分含有细胞，那么该岛可能进一步含有细胞。这些岛示于图 1A和1B中在层状材料的光电导层(3)上所形成的附图标记(12)。图5示出了其中几个岛在层状材料(21)上形成的具体实施方式。 [0099] 海藻酸盐源为包括海藻酸盐的化合物或组合物。海藻酸盐(也称为海藻酸)为本领域技术人员公知的天然类多糖。它可以从海藻或细菌培养物中提取并由1,4糖苷连接的α-L-古洛糖醛酸和β-D-甘露糖醛酸的无支链二元共聚物组成。海藻酸盐源可以包括任何来源的海藻酸盐。海藻酸盐源优选海藻酸钠。 [0100] 海藻酸盐源可以包括化学改性的海藻酸盐，具体地是具有更多化学基团的通过海藻酸盐与各基团的反应连接以改变得到的三维水凝胶的性质的海藻酸钠盐或者与蛋白质或多肽(特别是本领域技术人员公知的含有或者选自RGD序列或IKVAV序列的生物粘性多肽)共价连接的海藻酸盐。这种多肽能够通过众所周知的碳化二亚胺/化学活性酯进行连接，并进一步促进细胞的附着力和分化。 [0101] 二价阳离子源是包括二价阳离子的化合物或组合物。二价阳离子优选选自Ca2+、Ba2+或Sr2+或它们的混合物。二价阳离子源优选为包括二价阳离子的盐，其中，该盐具有pH依赖性溶解度。所述盐优选在6.5-8.5的pH下不溶于水，但在低于5的pH下溶于水溶液。所述盐优选在6.5-8.5的pH下、在25℃下在水中的溶解度低于0.1g/L，并且在小于5的pH下在水溶液中的溶解度高于0.1g/L，特别是在25℃下的溶解度高于10g/L。具有低于0.1g/L的溶解度(即少于0.1g溶解在水中)的化合物通常被称为在相应溶剂中是不溶的。更优选地，盐在酸性条件下(即在低于5的pH下)释放二价阳离子。更优选地，二价阳离子源为碳酸盐，特别选自CaCO3、BaCO3、SrCO3或它们的混合物。最优选地，二价阳离子源包括并且特别是由CaCO3组成。碳酸盐(特别是CaCO3)的使用允许在本发明的方法的条件下有利地形成三维水凝胶，同时额外地缓冲pH，从而使得任选的含有的细胞被进一步保护。 [0102] 二价阳离子源优选为盐，更优选为碳酸盐，并且具体地是CaCO3，该二价阳离子源包括并具体地由平均粒径低于100nm、具体地低于70nm且特别优选20nm-65nm的颗粒组成。这允许二价阳离子源在水凝胶前体组分中有利的均匀分布。 [0103] 水凝胶前体组分优选在水中、具体地是在蒸馏水中含有0.5％-4％(w/v)、更优选0.5％-2％(w/v)的海藻酸盐源，具体地是海藻酸钠。过量的海藻酸盐源可能会阻碍二价阳离子源在水凝胶前体组分中的均匀分布。水凝胶前体组分优选含有0.15％-2％(w/v)、更优选0.25％-1％(w/v)的二价阳离子源，具体地是CaCO3。 [0104] 在具体实施方式中，水凝胶前体组分在蒸馏水中含有约1％(w/v)的海藻酸钠以及0.25％-0.5％(w/v)的平均颗粒为20nm-65nm、特别是30nm-50nm的CaCO3颗粒。 [0105] 由于水裂解反应，在应用可见光至光导层并且应用电压之后，在阳极产生的低pH2+ 具体从二价阳离子源上原位释放二价阳离子，例如，从CaCO3释放Ca ，其会导致三维水凝胶的形成，因为二价阳离子具体地可能协调海藻酸钠源中的带电部分，导致如图1B所示的链间复合物的形成。 [0106] 由海藻酸盐源和二价阳离子源获得的三维水凝胶能够吸收大量的水，同时保持其结构完整性。这种三维水凝胶的形成在光引发剂和溶剂的存在下不需要应用UV光，其条件可能损害细胞。海藻酸盐源和二价阳离子源容易获得，并且三维水凝胶可以在温和条件下形成。本发明的方法形成的三维水凝胶提供了纳米多孔网络结构，即孔径优选小于1000nm、特别是5nm-200nm的结构，即低于约1μm-10μm的平均细胞直径。根据本发明形成的三维水凝胶适合于多种细胞类型，包括原核和真核细胞，特别是细菌、酵母、昆虫和哺乳动物细胞。 [0107] 非常有利的是本发明的三维水凝胶的形成是可逆的。即，在特定的具体实施方式中，三维水凝胶的降解以及任选地包埋的细胞的释放能够通过添加能够结合二价阳离子例如柠檬酸钠(其能够与用于Ca2+结合的海藻酸盐竞争)的化合物或组合物而获得。这些化合物或组合物的添加可以伴有摇动。 [0108] 水凝胶前体组分可以含有细胞，所述细胞包括原核和真核细胞，例如，细菌、酵母、3 昆虫和哺乳动物细胞。在这些具体实施方式中，水凝胶前体组分中的细胞密度优选为10 - 107细胞/ml。在形成三维水凝胶之前，在水凝胶前体组分中具有细胞使得细胞在三维水凝胶中的有利均匀分布，即细胞能够被有利均匀地嵌入三维水凝胶中。 [0109] 除了海藻酸盐源之外，水凝胶前体组分还可以含有聚合物或聚合物前体化合物，即，能够形成聚合物的化合物。合适的聚合物包括琼脂糖、明胶、脱乙酰壳多糖或聚赖氨酸。具体地，水凝胶体化合物可以包括阳离子聚合物，例如，脱乙酰壳多糖、乳糖改性的壳聚糖、聚赖氨酸或它们的混合物。这可以使得具有进一步增强的物理性能的多聚物和杂化凝胶的形成。 [0110] 任选地包含在水凝胶前体组分中的为蛋白质和多肽，所述蛋白质和多肽选自由那些调节细胞附着力、刺激细胞生长、刺激细胞增殖、刺激细胞分化以及它们的组合的组。 [0111] 水凝胶前体组分可以通过将海藻酸盐源尤其是海藻酸钠溶解在水尤其是蒸馏水中，并加入二价阳离子源具体地是CaCO3，并优选搅拌混合物，具体地是磁力搅拌，例如，在约1200rpm下磁力搅拌12小时制备。 [0112] 第二导体，优选作为阴极，优选包括第二透明载体层和设置在第二透明载体层上的第二透明导电层，具体地，所述第二导体由第二透明载体层和第二透明导电层组成。图1A指的是所述优选实施方式，其中，第二导体(8)由第二透明载体层(7)和第二透明导电层(6)组成。 [0113] 第二透明载体层可以是柔性的或刚性的，并且可以含有选自玻璃、塑料或它们的混合物的材料，具体地是选自玻璃、丙烯酸类树脂(例如聚甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯、聚酯(例如聚对苯二甲酸乙酯)、聚苯乙烯、聚酰胺、聚乙烯醇缩醛、聚氯乙烯、聚烯烃、聚砜、聚酰亚胺或它们的混合物的材料，特别是玻璃或聚对苯二甲酸乙酯。第二导体的第二透明导电层优选含有选自由导电性聚合物例如聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT/PSS)、PEDOT或者掺杂有碘或2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌的聚(4,4-二辛基环戊并-二噻吩)组成的组的材料，所述结晶金属氧化物例如为氧化锡、氧化锌、氧化铟锡(ITO)、氧化镉、氧化铬、铜铁矿和钙铝石型导电性氧化物(诸如通式为CuxAyOz，即铜、另外一种(或多种)金属A以及氧O的三元材料组合的那些)。金属氧化物可以是掺杂的，并且特别包括ITO、氟掺杂的氧化锡或铝掺杂的氧化锌。 [0114] 第二透明载体层优选含有玻璃，具体地是由玻璃组成。第二透明导电层优选含有ITO，更优选ITO是第二透明导电层的主要成分。在本发明的优选实施方式中，第二导体包括并更优选由ITO镀膜玻璃组成。 [0115] 用于形成三维水凝胶的方法优选包括在步骤(i)之前的另一步骤：连接层状材料与接收单元，或者将层状材料插入至优选为了可移动接收层状材料而设置的接收单元中。接收单元通常为包括几个部件(即至少两个部件)的单元，所述部件适用于例如通过连接它与层状材料或者通过将层状材料插入它而接收层状材料。接收单元包括如上所述的第二导体以及(a)第三透明载体层或者(b)至少第一非导电隔板元件或者(c)它们两者，即第三透明载体层和至少第一非导电隔板元件。优选地，接收单元包括如上所述的第二导体以及(a)第三透明载体层或者(b)至少第一和第二非导电隔板元件，具体地是第一和第二非导电隔板元件，或者(c)它们两者。 [0116] 优选地，接收单元包括如上所述的第二导体以及至少第一非导电隔板元件，具体地是至少第一和第二非导电隔板元件，优选第一和第二非导电隔板元件。接收单元还可以任选地包括第三透明载体层。 [0117] 第三透明载体层可以是柔性的或刚性的，并且可以含有选自玻璃、塑料或它们的混合物的材料，具体地是选自玻璃、丙烯酸类树脂(例如聚甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯、聚酯(例如聚对苯二甲酸乙酯)、聚苯乙烯、聚酰胺、聚乙烯醇缩醛、聚氯乙烯、聚烯烃、聚砜、聚酰亚胺或它们的混合物的材料，特别是玻璃或聚对苯二甲酸乙酯。更优选地，第三透明载体层含有并具体地是由玻璃组成。 [0118] 该至少第一非导电隔板元件优选具有块状形状或U型形状，更优选块状形状，具体地是至少第一、更优选至少第一和第二非导电隔板元件是矩形块。U型是指具有两个基本垂直朝向同一基底的手臂状部分的形状。 [0119] 能够用于本发明的方法中的非导电隔板元件可以包括聚合物、玻璃、陶瓷等以及它们的混合物，具体地是聚合物，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)。该至少第一非导电隔板元件优选含有PDMS，更优选由PDMS组成。在特别优选的实施方式中，至少第一和第二隔板元件，具体地是第一和第二隔板元件，含有PDMS，更优选由PDMS组成。 [0120] 在本发明的一种具体实施方式中，接收单元包括如上所述的第二导体以及至少第一非导电隔板元件，具体地是第一和第二非导电隔板元件以隔开第二导体和层状材料，即将层状材料连接至接收单元，从而使得至少第一隔板元件，具体地是第一和第二隔板元件插入第二导体和层状材料之间。优选地，层状材料和第二导体通过第一和第二隔板元件隔开，从而在第一平面中的第一和第二隔板元件之间以及在垂直于所述第一平面的第二平面中的层状材料和第二导体之间形成矩形腔室。 [0121] 第二导体和层状材料之间的距离以及由此隔开第二导体和层状材料的至少第一非导电隔板元件、具体地是第一和第二非导电隔板元件的高度优选为至少0.5mm，更优选为至少1mm，更优选为至少1.5mm，具体地是1.5mm-3mm。 [0122] 在本发明的另一种优选的具体实施方式中，接收单元包括： [0123] ·第二导体； [0124] ·第三透明载体层；以及 [0125] ·至少第一非导电隔板元件，其中，所述第二导体和第三透明载体层通过所述至少第一非导电隔板元件隔开。具体地，所述至少第一非导电隔板元件在第三透明载体层和第二导体之间、具体地是在第三透明载体层和第二导体的第二透明导电层之间插入。 [0126] 更优选地，接收单元包括至少第一和第二非导电隔板元件，其中，第二导体和第三透明载体层通过至少第一和第二非导电隔板元件隔开。更优选地，接收单元包括第一和第二非导电隔板元件。 [0127] 具体地，本发明的层状材料能够插入至在所述至少第一和第二非导电隔板元件、具体地是第一和第二隔板元件、第二导体和第三透明载体层之间形成的腔室中。优选地，将层状材料插入并沿着第三透明载体层的对着第二导体的表面移动，从而对着腔室。更优选地，第三透明载体层和第二导体通过第一和第二隔板元件隔开，从而在第一平面中的第一和第二隔板元件之间以及在垂直于所述第一平面的第二平面中的第三透明载体层和第二导体之间形成矩形腔室。 [0128] 任选地，矩形腔室在第一平面中的至少第一U型形状非导电隔板元件的臂上与在垂直于所述第一平面的第二平面中的至少第一U型形状非导电隔板元件和第二导体的基底之间形成，并且将层状材料插入至少一个U型形状非导电隔板元件的基底，即，非导电隔板元件的对着腔室和第二导体的表面。在该具体实施方式中，所述至少第一非导电隔板元件是透明的。 [0129] 根据图5所示的优选实施方式，接收单元由第三透明载体层(20)、第一和第二非导电隔板(19)和第二导体(8)组成，所述第二导体(8)包括第二透明载体层(7)和第二透明导电层(6)，其中，层状材料(5)能够被移动接收，并沿着第三透明载体层(20)的对着第二导体(8)的表面插入。 [0130] 第二导体和第三透明载体层之间的距离以及由此隔开第二导体和第三透明载体层的至少第一非导电隔板元件、具体地是第一和第二非导电隔板元件的高度优选为至少0.5mm，更优选为至少1mm，更优选为至少1.5mm，具体地是1.5mm-3mm。 [0131] 在特别优选的实施方式中，第二导体包括第二透明载体层和设置在第二透明载体层上的第二透明导电层，其中，第二透明载体层含有玻璃并且第二透明导电层含有氧化铟锡，并且其中第三透明载体层含有玻璃，且其中接收单元包括第一和第二非导电隔板元件，其含有聚二甲基硅氧烷并隔开第二导体和第三透明载体层，即在第三透明载体层和第二导体的第二透明导电层之间插入。 [0132] 用于形成三维水凝胶的方法还可以包括从层状材料去除电化学沉积的三维水凝胶的步骤。 [0133] 分别所获得的和可获得的三维水凝胶优选具有高达600μm、优选200μm-500μm的厚度，其优选在进行步骤(ii)至少1分钟至最多5分钟、具体地是约2分钟后得到。三维水凝胶的厚度可以用光学显微镜来测量。 [0134] 三维水凝胶优选在步骤(ii)中优选在1A/m2-5A/m2、具体地是约3A/m2的电流密度下以1μm/s-4μm/s、优选2μm/s-3μm/s、具体地是约2.4μm/s的厚度形成。 [0135] 本发明还提供了一种制品，包括： [0136] ·采用本发明的用于制备层状材料的方法所获得的和可获得的层状材料； [0137] ·上述接收单元，即包括第二导体以及(a)第三透明载体层或(b)至少第一非导电隔板元件或(c)它们两者，即第三透明载体层和至少第一非导电隔板元件； [0138] ·任选的水凝胶前体组分，任选地含有细胞。 [0139] 在本发明的一种具体实施方式中，接收单元包括上述第二导体以及至少第一非导电隔板元件，具体地是第一和第二非导电隔板元件以隔开第二导体和层状材料，即，将层状材料连接到接收单元，从而使得至少第一非导电隔板元件，具体地是第一和第二隔板元件，在第二导体和层状材料之间插入。矩形腔室优选在第一平面中的第一和第二隔板元件以及在垂直于所述第一平面的第二平面中的层状材料和第二导体之间形成，任选含有细胞的水凝胶前体组分能够插入于此。图3A示例性说明了该具体实施方式。 [0140] 在本发明的另一种优选实施方式中，接收单元包括第二导体、第三透明载体层以及至少第一非导电隔板元件，其中，第二导体和第三透明载体层通过至少第一非导电隔板元件隔开。具体地，至少第一非导电隔板元件在第三透明载体层和第二导体之间、具体地是在第三透明载体层和第二导体的第二透明导电层之间插入。在优选实施方式中，矩形腔室在第一平面中的第一和第二非导电隔板元件以及在垂直于所述第一平面的第二平面中的第二导体和第三透明载体层之间形成。 [0141] 图2A提供了包括第一和第二非导电隔板元件(19)和第二导体的接收单元的具体实施方式，所述第二导体包括第二透明载体层(7)和第二透明导电层(6)。在该具体实施方式中，将层状材料直接插入隔开包括光导层(3)的层状材料和第二导体(8)的隔板元件(19)中。根据示于图5的优选实施方式，接收单元由第三透明载体层(20)、第一和第二非导电隔板元件(19)以及包括第二透明载体层(7)和第二透明导电层(6)的第二导体(8)组成，其中，层状材料(5)能够被移动接收，并沿着第三透明载体层(20)的对着第二导体的表面插入。 [0142] 在一种特别优选的实施方式中，所述制品包括： [0143] ·由第一透明载体层、第一透明导电层和光导层组成的层状材料，所述第一透明载体层含有并具体地是由玻璃组成，所述第一透明导电层含有ITO，所述光导层含有并具体地TiOPc的光电导化合物； [0144] ·包括第二导体、第三透明载体层以及第一和第二非导电隔板元件，所述第二导体由含有并具体地由玻璃组成的第二透明载体层和含有ITO的第二透明导电层组成，所述第三透明载体层含有并具体地由玻璃组成，所述第一和第二非导电隔板元件隔开第三透明载体层和第二导体，其含有并具体地由PDMS组成； [0145] ·任选的水凝胶前体组分，任选地含有细胞。 [0146] 接收单元优选包括在第一平面中的第一和第二非导电隔板元件以及在垂直于所述第一平面的第二平面中的第二导体和第三透明载体层之间形成的腔室。优选地，将层状材料插入，并沿着第三透明载体层的对着第二导体从而对着腔室的表面移动。 [0147] 第三透明载体层优选表示制品的最底层，并且第二导体的第二透明载体层优选地形成为制品的最顶层。在优选实施方式中，在制品内从接收单元的外表面到腔室形成通道，以供应水凝胶前体组分到腔室中。 [0148] 制品优选具有低于7.5cm×7.5cm×2cm的尺寸，具体地是约5cm×5cm×1cm的尺寸。 [0149] 本发明还涉及一种用于组装制品的方法，其优选包括提供第二导体和至少第一非导电隔板元件，并将第二导体与(a)层状材料或(b)第三透明载体层通过在它们之间插入至少第一非导电隔板元件而隔开，任选地提供从接收单元的外表面延伸至所形成的腔室的通道。 [0150] 优选地，用于组装制品的方法包括提供第三透明载体层和第二导体，通过在它们之间插入至少第一非导电隔板元件而将两者隔开，任选地提供从接收单元的外表面延伸至腔室的通道，并插入层状材料以及任选地插入水凝胶前体组分，其由于有利的表面张力而能够保留在腔室的内部而没有渗漏。任选地，该方法还包括连接另外的非导电材料例如PDMS以密封打开部分。层状材料能够根据需要插入并从接收单元移除。 [0151] 在另一方面中，本发明提供了用于形成三维细胞培养(即包括至少两层或更多层的层叠细胞层的细胞培养)的方法，该方法包括以下步骤： [0152] (i)按照包括用于形成三维水凝胶的方法的上述步骤形成三维水凝胶，其中，所述水凝胶前体组分含有细胞； [0153] (ii)通过施加细胞起始生长、分化和/或成熟的条件在三维水凝胶中培养细胞。用于培养细胞的各条件和方法为本领域技术人员公知。 [0154] 所述方法还可以任选地包括通过添加二价阳离子结合化合物或组合物(例如通过添加柠檬酸钠)并任选地摇动而从三维水凝胶中去除细胞的步骤。 [0155] 在本发明的替代实施方式中，用于形成包括至少两层或更多层的层叠细胞层的三维细胞培养的方法包括以下步骤： [0156] (i)按照包括用于形成三维水凝胶的方法的上述步骤形成三维水凝胶，其中，所述水凝胶前体组分任选地含有细胞； [0157] (ii)施加细胞至三维水凝胶中，其中，细胞优选迁移到三维水凝胶中；施加的细胞可以包含在合适培养基(例如任选地含有粘附和生长/分化刺激多肽或蛋白质的改性或非改性的良伊格尔培养基(DMEM))中； [0158] (ⅲ)通过施加细胞起始生长、分化和/或成熟的条件培养细胞。 [0159] 所述细胞在步骤(ii)中可以通过滴加到三维水凝胶的与对着光导层的表面相反的表面上或者通过将细胞注入到三维水凝胶中而施加。 [0160] 所述方法还可以任选地包括通过添加二价阳离子结合化合物或组合物(例如通过添加柠檬酸钠)并任选地摇动而从三维水凝胶中去除细胞的步骤。 [0161] 本发明还提供了由上述用于形成三维细胞培养的方法分别可获得的和所获得的三维细胞培养。 [0162] 按照本发明还提供了由上述用于形成三维水凝胶的方法分别可获得的和所获得的三维水凝胶的应用，用途涉及三维细胞培养、再生医学、药物筛选、毒性测试或者药物传输或者微器官系统的提供。 [0163] 在另一个方面中，本发明涉及由上述用于形成三维细胞培养的方法分别可获得的和所获得的三维细胞培养的应用，用途涉及再生医学、药物筛选、毒性测试或者药物传输或者微器官系统的提供。 [0164] 在又一个方面中，本发明提供了一种配套元件，包括： [0165] ·由上述用于制备层状材料的方法分别可获得的和所获得的层状材料；以及[0166] ·容器，通常包围层状材料的容器，即用于包装。 [0167] 所述配套元件优选还包括： [0168] ·含有海藻酸盐源和二价阳离子源以及任选地含有细胞的水凝胶前体组分； [0169] ·具体地包括第二导体的接收单元，所述第二导体包括其中含有玻璃的第二透明载体层和其中含有氧化铟锡的第二透明导电层，并且其中第三透明载体层含有玻璃，并且其中含有聚二甲基硅氧烷的第一和第二非导电隔板元件隔开第二导体和第三透明载体层； [0170] ·任选的直流电源，具体地是电池； [0171] ·任选的计算机控制单元； [0172] ·任选作为可见光光源的投影仪； [0173] ·任选的显微镜。 [0174] 图5示例性示出了本发明的配套元件的部件，具体地是包括层状材料(5)、由第三透明载体层(20)、第一和第二非导电隔板元件(19)、第二导体(8)组成的接收单元、电压源(10)、显微镜(9)、计算机控制单元(23)和可见光源(22)。 [0175] 除非特别定义，在本专利申请中使用的技术术语具有本领域各技术人员理解的普遍含义。 [0176] 以下通过设置的实施例对本发明进行进一步说明。上述优选实施方式和附图以及下文给出的实施例代表优选的或示例性的实施方式，并且本领域技术人员将理解参考这些实施方式或实施例不旨在进行限制。 [0177] 实施例 [0178] 本发明的层状材料已经被制备。此外，三维水凝胶已经按照使用本发明的制品的本发明的方法形成。以下将进一步描述层状材料、方法和三维水凝胶。 [0179] 实施例1 [0180] 含有酞菁氧钛的含光导化合物的组分的制备 [0181] 实施例1A [0182] 首先，将5ml甲基乙基酮(MEK，标准品，美国)与5ml环己酮(标准品，美国)在缓慢搅拌(700rpm)下混合20分钟。然后，将1.5g TiOPc颗粒(天津中敏有限公司，中国)和0.75g聚乙烯醇缩丁醛(PVB)粉末(标准品，美国)加入混合物中，随后剧烈搅拌(12,00rpm)10小时。 [0183] 实施例1B [0184] 将甲基乙基酮(MEK，标准品，美国)与环己酮(标准品，美国)按体积比1:1混合。然后，将1.5g TiOPc和0.75g聚乙烯醇缩丁醛(PVB)(标准品，美国)加入上述混合溶液中。之后，该混合溶液通过球磨机(南大仪器，中国)在420r/min的转速下研磨10小时。最后，得到粘稠的组分。 [0185] 实施例2 [0186] 层状材料的制备 [0187] 实施例2A [0188] 首先，提供ITO镀膜玻璃，即具有玻璃层作为载体层且具有ITO层作为导电层。所述ITO玻璃(30mm×30mm)被牺牲层部分覆盖在背离玻璃层的ITO层的表面。然后，将500μL的实施例1A的组分滴到背离玻璃层的ITO层的表面上。接着，将所述组分通过500rpm的转速旋涂15秒，接着通过1000rpm的转速旋涂60秒进行平坦化。之后，将光导层通过在120℃下加热30分钟进行固化。最后，在去除牺牲层之后，得到在表面上具有两个区域的层状材料(TiOPc板)：具有光导层的区域(TiOPc区域)和暴露ITO导电层的原始区域。 [0189] 实施例2B [0190] 首先，将ITO镀膜玻璃(30mm×30mm，华南湘城公司，中国)的一个边缘在背离玻璃层的ITO层的表面上覆盖上牺牲层，然后将500μL的实施例1B的组分滴到背离玻璃层的ITO层的表面上。接着，将实施例1B的组分通过1500rpm的转速旋涂(IMECAS，中国)30秒而均匀涂覆在背离玻璃层的ITO层的表面上。之后，通过将带有玻璃层的材料放在130℃的热板上30分钟进行热处理，从而使得玻璃板的与对着ITO层的表面相反的表面与热板接触，因而将含光导化合物的组分固化并与ITO层强烈结合。最后，从ITO层去除牺牲层。 [0191] 实施例3 [0192] 层状材料的表征(TiOPc板) [0193] 为了阐明实施例2A的层状材料的性质，将层状材料通过扫描电子显微镜(SEM)观察进行表征。如图2B所示，层状材料包括作为透明导电层的ITO层和光导层(TiOPc层)。俯视图的放大图像(图2C)表明TiOPc颗粒在光导层中是均匀分布的。它证明了旋涂能够保证板在不同区域具有均匀性质。接着，TiOPc板通过金刚石刀沿着图2B中的线进行切割，并且横截面观察结果如2E所示。SEM图像表明光导层的高度为约10μm，并且该值在不同区域是相当稳定的。为了进一步表征高度，光导层的高度已经通过触针式轮廓仪(BRUKER DektakXT)沿着图2D中的扫描线进行测量。如示于图2D中的曲线，虽然光导层的高度在边界区域具有一些波动，但是在大多数的其它区域保持在大约10μm的相似高度，这与SEM观察结果是相符的。 [0194] 上述分析证明能够制造在尺寸和材料分布上均具有均匀性质的层状材料。更重要的是，不像玻璃的横截面，光导层的切割边缘具有较小的损坏，这表明受益于有机材料(即甲基乙基酮、环己酮和聚乙烯醇缩丁醛)的部件，光导层具有更高的物理切削力耐受性。因此，光导层在实验过程中在电场作用下具有更好的物理性能。此外，层状材料的主要制造工序是旋涂，它是很简单便宜的并且在居室环境下容易实现。 [0195] 实施例4 [0196] 本发明的制品的组装 [0197] 实施例4A [0198] 如图3A所示，提供作为第二导体的ITO镀膜玻璃，并且将非导电隔板元件用于将层状材料和第二导体隔开1.5mm。然后，将第二透明导电层和第一透明导电层，两者的ITO层，连接到电源上。 [0199] 实施例4B [0200] 如图5所示，制品通过层状材料、作为第二导体的ITO镀膜玻璃、两个非导电隔板元件、作为第三透明载体层的玻璃和直流电源组装。玻璃板取作底基并且作为第二导体的ITO镀膜玻璃取作顶盖，两者均通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)块的形式的非导电隔板元件分开。隔板的高度，即玻璃板和ITO镀膜玻璃之间的距离，为3mm。提供两个小通道以供应水凝胶前体组分至腔室。 [0201] 实施例5 [0202] 水凝胶前体组分的制备 [0203] 该组分通过先将1％w/v的海藻酸钠(西格玛公司，美国)溶解在蒸馏水中而制备。然后，将不溶的0.5％w/v的平均粒径为30-50nm的CaCO3颗粒(豪富化学公司，中国)分散在溶液中，接着通过磁力搅拌在12,00rpm的速率下进行12小时。为了获得荧光图像，将0.2％w/v的FITC荧光染料(西格玛公司，美国)相应混入水凝胶前体组分中。 [0204] 实施例6 [0205] 形成三维水凝胶 [0206] 实施例6A [0207] 将实施例5的化合物填充到实施例4A的制品的间隙中。将光灯放置在ITO镀膜玻璃下，以经由背离ITO层的玻璃层的表面将可见光图案投射至光导层上。光照强度约为350lm，并且从光到玻璃层的所述表面的距离为约1cm。结果是，被照明的TiOPc层变为导电的，并接着穿过溶液激发电场且在阳极(TiOPc层)周围产生氢离子(H+)。 [0208] 实施例6B [0209] 提供实施例4B的制品、一个电池、一台显微镜、一台投影仪和一台计算机控制单元，且将制品放在显微镜的样品台上。将电池取作直流电压源(～3V)分别至作为第二导体的ITO镀膜玻璃的ITO层(阴极)和作为层状材料的第一透明导电层的ITO层(阳极)上。将投影仪作为可见光源，以从底部激发具有TiOPc的光导层。光图案和投影时间通过计算机控制单元进行控制。 [0210] 将层状材料先插入到腔室中。然后，将水凝胶前体组分(细胞+0.25％w/v的CaCO3+1％w/v的海藻酸盐)填充到制品的腔室中。接着，将光投射到细胞上。结果是，投影的光导层变为导电的，并且由于电沉积，水凝胶在光导层上产生。在将细胞包埋入三维水凝胶中之后，将具有三维水凝胶的层状材料从接收装置中取出。 [0211] 实施例7 [0212] 实施例6A的三维水凝胶的成像和检测。在实施例6A产生三维水凝胶之后，将少许去离子(DI)水轻轻滴在其上，以将剩余的混合溶液冲洗掉。然后，将残留的水通过直到三维水凝胶的微量吸液管吸出。 [0213] 将水凝胶的中间厚度取作高度，并通过光学显微镜(KEYENCE VH-Z20R)从侧面图进行观察和测量。水凝胶图像的俯视图通过荧光显微镜(Nikon NI-SE)和光学显微镜(KEYENCE VH-Z20R)从上方进行观察。结果示于图3B和3C中。 [0214] 实施例8 [0215] 用于形成三维水凝胶的方法的可控性 [0216] 为了评估本发明的方法的可控性，分析了沉积时间和电流密度对三维水凝胶的形成的影响，其中，剩余的条件如实施例6A中所述。将直径为2mm的被照明的圆形图案用于生产三维水凝胶。水凝胶的高度分别在不同时间点和不同施加电流密度下进行观察和测量(图3D和3E)。 [0217] 数据表示平均值并且误差条表示四个实验在相同操作条件下的标准偏差。图3D示出了在3A/m2的恒定电流密度下，沉积时间对海藻酸钙凝胶高度的影响。结果表明，凝胶的高度随时间逐渐增加，并且2分钟后最终达到400μm。在这段时间内，该高度和时间保持接近线性，即在3A/m2的电流密度下约2.4m/s。图3E示出了电流密度对凝胶生长的影响。水凝胶的高度在90秒之后、在每一个所加的具有1A/m2步长的范围从1A/m2至5A/m2的电流密度下被测量。清楚地表明，水凝胶在更高电流密度下生长得更快。此外，凝胶的生长也表现出了与电流密度近线性的关系。从化学反应可以推断出，三维水凝胶的生长与电场强度成正比。因此，水凝胶的生长被证明可以通过调整电流密度和/或沉积时间而控制。 [0218] 实施例9 [0219] 具有不同层状材料结构的水凝胶 [0220] 为了证明本发明的方法的通用性，已经在实施例6A所述的条件下设计各种光图案，并且三维水凝胶采用本发明的方法形成。如图4A-4D的结果所示，本发明的方法被证明是适合形成不同尺寸和不同形状(包括圆形、正方形和三角形的形状)的三维水凝胶的，以生成具有复杂结构的各种图案，如圆形阵列或脸的图像(图4B-4D)。实验证明，该方法允许有利的高可控性和灵活性，以不需要任何3D模塑而形成三维水凝胶。 |
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