一種用于3d打印的生物墨水的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種墨水，尤其是涉及一種用于3D生物打印制造生物支架材料如生物組織、器官的生物墨水。
【背景技術(shù)】
[0002]3D打印技術(shù)(又稱(chēng)3D快速成型技術(shù)或增材制造技術(shù))是近年來(lái)興起的一項(xiàng)新興制造技術(shù)，該技術(shù)主要是在計(jì)算機(jī)控制下，依照打印物的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型或計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)獲得數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)化的模型，通過(guò)材料精確3D堆積，快速制造指定形狀的3D物體的數(shù)字化成型技術(shù)。隨著3D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域包括生活用品、機(jī)械設(shè)備、生物醫(yī)療等。3D打印技術(shù)雖然在生物醫(yī)藥領(lǐng)域如疾病模型、藥物緩釋、組織工程與再生醫(yī)學(xué)引起人們足夠重視，但迄今為止，采用3D打印技術(shù)制造真正適合于體內(nèi)植入的器官或組織還面臨很大的挑戰(zhàn)，其中研發(fā)適合于3D打印的生物材料是關(guān)鍵。目前適合于3D打印的生物材料主要停留于科學(xué)研究階段，應(yīng)用于生物醫(yī)療的3D打印技術(shù)廣泛采用的是合成材料包括熱塑性可降解吸收聚酯塑料(PLA、PLGA、PCL，PEG以及他們的共聚物)，以及一些天然高分子材料(海藻酸鹽、纖維蛋白、膠原、明膠、殼聚糖、透明質(zhì)酸等，如Richard(W02014085725)公開(kāi)了一種采用結(jié)構(gòu)蛋白水溶液及粘度調(diào)節(jié)劑組成的生物高分子基生物墨水。上述合成材料大多采用有機(jī)溶劑或者高溫進(jìn)行3D打印，打印出的支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但精度有限，不能與細(xì)胞混合打印。水溶性的天然高分子材料可以和細(xì)胞同時(shí)打印，并能保持其活性，但支架力學(xué)性能、仿真性和穩(wěn)定性差?，F(xiàn)有材料無(wú)論單獨(dú)使用還是復(fù)合都很難兼顧細(xì)胞相容性、生物活性和力學(xué)性能。因此，生物墨水，尤其是用于軟組織仿生制造的生物墨水，這是至今全世界都沒(méi)有很好解決的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決目前用于3D打印的生物墨水匱乏的難題，本發(fā)明提供一種同時(shí)具有生物活性和快速光固化功能，同時(shí)可形成一定微觀結(jié)構(gòu)可降解吸收的用于3D生物打印的生物墨水。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種用于3D打印的生物墨水，包括如下組分:具有交聯(lián)功能的水溶性合成聚合物、具有交聯(lián)功能的水溶性天然高分子、能自發(fā)形成特殊超微結(jié)構(gòu)的生物活性組分、交聯(lián)引發(fā)劑和溶劑。
[0005]優(yōu)選地，本發(fā)明用于3D打印的生物墨水，包括如下質(zhì)量百分比的組分:水溶性合成聚合物1 %?40 %、水溶性天然高分子0.01 %?20 %、生物活性組分0.01 %?15 %、交聯(lián)引發(fā)劑0.01%?1%、溶劑余量，各組分百分比之和為100%。
[0006]本發(fā)明用于3D打印的生物墨水，固化成型后為水凝膠狀態(tài)，具有微觀納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
[0007]所述具有交聯(lián)功能的水溶性合成聚合物主要是指采用雙鍵修飾的水溶性聚醚酯，水溶性聚醚酯雙鍵數(shù)目不少于2個(gè)。水溶性聚醚酯以水溶性聚醚為主鏈，通過(guò)在末端聚合引入少量聚酯單元(如TMC，CL, LA等)作為疏水末端，并對(duì)端基進(jìn)行雙鍵修飾或利用羥基引發(fā)含雙鍵的活性單體聚合引入雙鍵，通過(guò)調(diào)控聚醚的種類(lèi)和分子量、調(diào)控引入的聚酯的種類(lèi)和長(zhǎng)度，達(dá)到調(diào)控最終形成的水凝膠的力學(xué)性能和降解性能的目的。因此水溶性聚醚酯為最終產(chǎn)品提供了力學(xué)支撐、韌性和延緩降解的作用。
[0008]其中，所述水溶性聚醚包括并不限于:線性或支化(2-8臂)的聚乙二醇(PEG)，普羅沙姆，F(xiàn)127等各種聚環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷類(lèi)聚醚中一種或多種混合物；所述聚酯單元包括并不限于:三亞甲基碳酸酯(TMC)、己內(nèi)酯(CL)、丙交酯(LA)、乙交酯(GA)、對(duì)二氧環(huán)己酮(d1xanone)中的一種或多種混合物。
[0009]所述具有交聯(lián)功能的水溶性天然高分子主要是指采用雙鍵修飾的天然高分子，弓丨入雙鍵數(shù)目不少于2個(gè)，所述天然高分子包括并不限于蛋白質(zhì)、多糖、多聚氨基酸中的一種；對(duì)蛋白質(zhì)、多糖、多聚氨基酸等水溶性天然高分子進(jìn)行雙鍵修飾，其本身可提供一定的生物學(xué)活性，這些天然高分子由多個(gè)氨基酸或糖單元組成，每個(gè)重復(fù)單元均可引入雙鍵，隨著雙鍵數(shù)目的增加，交聯(lián)點(diǎn)增加，交聯(lián)密度上升，達(dá)到了抑制單純的聚醚酯水凝膠溶脹的效果，同時(shí)由于這些天然高分子在體內(nèi)降解較快，而聚醚酯水凝膠的引入很好的增加了天然高分子水凝膠的降解周期，延長(zhǎng)了最終產(chǎn)品的體內(nèi)應(yīng)用時(shí)間。
[0010]其中，蛋白質(zhì)包括并不限于膠原、明膠、絲蛋白、大豆蛋白、玉米蛋白、纖粘蛋白、層粘黏蛋白等；多糖包括并不限于透明質(zhì)酸、海藻酸鈉、殼聚糖、淀粉、纖維素、糖原、瓊脂糖、環(huán)糊精等。
[0011]所述生物活性組分主要包括可自組裝的包含特定生物學(xué)功能序列的短肽和源于人體/異體各部位組織的脫細(xì)胞基質(zhì)；所述短肽包括并不限于RGD、YIGSR、IKVAV、VVIVIY、RLRRTMLV、GPGGD等序列；所述脫細(xì)胞組織基質(zhì)來(lái)源包括并不限于人體/異體(豬、鼠、狗、兔等)身體中神經(jīng)、脊髓、骨、脂肪、心臟、肝臟、眼球、小腸粘膜下層、肌腱等組織。在溫和的條件下，這些生物活性組分即可通過(guò)物理纏結(jié)、蛋白折疊等作用自發(fā)形成特殊的納米纖維網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)，這種特殊的微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)被證實(shí)可以促進(jìn)和引導(dǎo)細(xì)胞的生長(zhǎng)、迀移和分化等行為。這種生物活性組分不僅可以提供良好的生物學(xué)功能來(lái)促進(jìn)細(xì)胞和組織的再生等，它還可以自組裝形成納米纖維的結(jié)構(gòu)，通過(guò)這種物理信號(hào)的引導(dǎo)來(lái)調(diào)控細(xì)胞的命運(yùn)。
[0012]所述交聯(lián)引發(fā)劑主要采用自由基引發(fā)劑或光引發(fā)劑，后者較前者引發(fā)交聯(lián)速率更快，隨著交聯(lián)劑含量的增高，交聯(lián)時(shí)間可逐漸減小到5秒以?xún)?nèi)；引發(fā)劑與雙鍵作用產(chǎn)生自由基，帶雙鍵的水溶性合成聚合物和水溶性天然高分子交聯(lián)固化形成水凝膠；其中，所述自由基引發(fā)劑包括并不限于TEMED或過(guò)硫酸銨中的一種；所述光引發(fā)劑包括并不限于12959、BTC、BPQ、ABP、QTX、BAP0((2，4，6-三甲基苯甲?；?苯基氧化膦)、MBS (磺化2-芐基-2-二甲氨基-1-(4-嗎啉苯基)-1_ 丁酮)中的一種。
[0013]所述溶劑為含胃蛋白酶的鹽酸溶液或去離子水，當(dāng)生物活性組分采用脫細(xì)胞基質(zhì)時(shí)，溶劑采用含胃蛋白酶的鹽酸溶液；當(dāng)生物活性組分采用短肽是，溶劑采用去離子水。
[0014]本發(fā)明的有益效果為:
[0015]1、本發(fā)明生物墨水都是水溶性組分，且成分皆具有優(yōu)秀的生物相容性，可與細(xì)胞良好復(fù)合，可進(jìn)行復(fù)合細(xì)胞的3D生物打??；
[0016]2、本發(fā)明生物墨水可以利用光引發(fā)等方式快速固化成型，可解決目前3D打印缺乏合適快速成型水凝膠的難題；
[0017]3、本發(fā)明生物墨水含有生物活性組分為含特定生物功能序列的短肽或脫細(xì)胞基質(zhì)組分，這些成分與組織、器官的功能和成分匹配，實(shí)現(xiàn)了生物功能上的仿生，具有生物活性；
[0018]4、本發(fā)明生物墨水含有生物活性組分，可形成特殊的微觀納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的仿生，可以促進(jìn)和引導(dǎo)細(xì)胞的生長(zhǎng)、迀移和分化等行為；具備重建組織再生結(jié)構(gòu)微環(huán)境的功能；
[0019]5、本發(fā)明生物墨水，固化成型過(guò)程可形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少了固化成型過(guò)程目標(biāo)制品的收縮率或溶脹性，具有良好結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，和高仿真性。
[0020]6、本發(fā)明生物墨水，可通過(guò)調(diào)節(jié)聚醚酯和天然高分子的濃度和比例調(diào)控固化成型制品的力學(xué)性能和降解時(shí)間，以匹配不同組織的模量和實(shí)際應(yīng)用需求；
[0021]7、本發(fā)明生物墨水組分均不具有細(xì)胞毒性，并且有優(yōu)異的生物活性組分，可用于包埋細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)活性打印。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1生物墨水3D打印成型制得的水凝膠；
[0023]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1和實(shí)施例2生物墨水固化成型制得的水凝膠的SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]
[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。
[0026]實(shí)施例1
[0027]—種用于3D打印的生物墨水，由聚醚酯、透明質(zhì)酸、生物活性組分、交聯(lián)引發(fā)劑以及溶劑組成，本實(shí)施例生物活性組分采用脫細(xì)胞基質(zhì)，其制備方法如下:
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