CN103977453A - 一种3d生物打印水凝胶材料及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D生物打印水凝胶材料及其应用，该水凝胶材料，含有细胞生长因子及营养组分，水，温敏性聚合物和生物大分子。本发明的3D打印水凝胶材料具有与人体软组织相仿的力学性质，并可包裹细胞，有良好的细胞黏附性，用于人体内时，免疫排斥小，抗过敏，有利于人体健康恢复，生物降解性好，安全无毒，无需二次开刀取出，减小了病人的二次损伤；本发明3D打印水凝胶材料，配合相应的技术设备，可实现其大小、结构等方面的个性化设计，为使用对象提供“一对一”匹配的产品。

Description

一种3D生物打印水凝胶材料及其应用

【技术领域】

本发明涉及一种3D生物打印材料及其应用，尤其涉及一种基于生物高分子的3D生物打印水凝胶材料及其应用，属于生物材料技术领域。

【背景技术】

传统数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品。而3D打印是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术，因此也称为“增材制造”(additive manufacturing)。3D打印无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据生成任何形状的物体，简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。

3D打印技术又称增材制造技术，实际上是快速成型领域的一种新兴技术，它是一种以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术从概念的提出到现在已经有30多年的发展历史。随着技术、设备的日趋成熟，3D打印开始走进大众的视野并迅速成为制造业的新宠。而对医疗界而言，3D打印技术预示着一场医学新革命或将来临。从仿真医疗模型、生物医疗器械，到更具个性化的移植组织或气管、更具潜力的生物高分子材料，都将聚拢于3D打印麾下。

生物打印是3D打印在医疗领域的应用，用以制造活组织和活器官，其在组织工程中的应用已然成为最热门的研究课题之一。2009年底，澳大利亚Invetech公司和美国Organovo公司宣布携手研制出了全球首台商业化3D生物打印机，打印机有两个打印头，一个放置最多达8万个人体细胞，被称为“生物墨”；另一个可打印“生物纸”。所谓生物纸的主要成分是水凝胶，可用作细胞生长的支架。

基于生物大分子的水凝胶含水量高，力学性质与软组织相似，具有良好的生物相容性、输送养分和排泄代谢物的高效性以及包裹细胞的强大能力，这些特点使其被广泛地用于构建组织工程支架、药物缓释体系等。

生物打印可以实现个性化定制，制成与人体组织高度匹配的“零件”，用于复杂骨科手术、颅骨修复、小耳畸形修复和口腔正畸等。科学家的最大的雄心便在于打印出心、肝脏等人体器官以解决全球日益增多等待器官移植患者的需求。大多数器官的结构高度复杂，常常由几十种不同的细胞组成并发挥着各种不同的功能，以肝脏为例，其所发挥的生物学功能多达500种。从技术上讲，通过沿Z轴逐层打印细胞的的3D打印机可以“搭建”出由细胞“叠成”的组织或器官，但从生物学角度说，若想这些组织或器官适用于人体移植，则需要考虑如何将不同类型的细胞“打印”至适当的位置，以使其像胚胎一样逐渐发育成所想要的组织或器官；还要考虑如何为这些细胞提供营养物质和氧气，即如何建造一个血液循环系统。

如今3D打印和应用于组织工程的水凝胶材料都发展到了一定的阶段，如何把两者融合到一起完成生物打印，便成了一个新的问题。生物打印技术方兴未艾，而大部分应用材料还停留在基础研究阶段，既要考虑材料的物理化学及生物学性能，还需要解决“打印”成型的问题，离实际应用还有一段距离。

【发明内容】

本发明的目的是针对目前应用于生物打印的材料的短缺，提供一种基于生物大分子的，人体用免疫排斥小，生物降解性好，具有合适力学性质的3D生物打印水凝胶材料。

本发明的另一目的是提供上述3D生物打印水凝胶材料在3D生物打印中的应用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种3D生物打印水凝胶材料，其特征在于含有细胞生长因子及营养组分。

本发明3D生物打印水凝胶材料，含有水，温敏性聚合物和生物大分子。

本发明上述各组分的质量百分比为：

本发明中的温敏性聚合物选自聚N-异丙基丙基酰胺类、PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物以及具有温变性的改性天然高分子，优选其中一种。

本发明中的生物大分子选自纤维素、透明质酸、壳聚糖、海藻酸类天然高分子及其改性物中的一种或多种。

本发明材料中还含有光聚合引发剂，交联剂和其他调节剂，其中光聚合引发剂和交联剂可以选择其种一种或两种，二者均用于调控水凝胶的网络结构的交联度。

本发明3D生物打印水凝胶材料优选由以下质量百分含量的组分组成：

以上各组分的百分比之和为100％。

本发明中的温敏性聚合物为聚N-异丙基丙基酰胺(p(NIPAAm))类、PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物(泊洛沙姆)以及具有温变性的改性天然高分子中的一种。

本发明中的生物大分子为纤维素、透明质酸、壳聚糖、海藻酸类天然高分子及其改性物中的一种或多种。

本发明3D生物打印水凝胶材料制备时将各组分于常温下混合均匀即可。

本发明3D生物打印水凝胶材料在3D生物打印中的应用，本发明应用于3D生物打印时易于成型。

本发明相对于现有技术，有以下优点：

本发明的3D打印水凝胶材料用于人体内时，免疫排斥小，抗过敏，无需大量长期服用抗排斥与抗过敏药物，有利于人体健康恢复。生物降解性好，安全无毒，无需二次开刀取出，减小了病人的二次损伤。

本发明3D打印水凝胶材料具有与人体软组织相仿的力学性质，可调的孔隙率，并可包裹细胞，有良好的细胞黏附性，为引导其生长、增殖提供支撑骨架及合适的生理条件。

本发明3D打印水凝胶材料，配合相应的技术设备，可实现其大小、结构等方面的个性化设计，为使用对象提供“一对一”匹配的产品。

【具体实施方式】

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：

3D生物打印水凝胶材料的质量百分含量配比为：

水80％，温敏性聚合物10％，生物大分子6.5％，细胞生长因子及营养组分1％，光聚合引发剂1份，交联剂1份，其他调节剂0.5份。

实施例2：

3D生物打印水凝胶材料的质量百分含量配比为：

水85％，温敏性聚合物5％，生物大分子8％，光聚合引发剂1％，细胞生长因子及营养组分1％。

实施例3：

3D生物打印水凝胶材料的质量百分含量配比为：

水86.5％，温敏性聚合物5％，生物大分子5％，细胞生长因子及营养组分1％，光聚合引发剂1％，交联剂1％，其他调节剂0.5％。

实施例4：

3D生物打印水凝胶材料的质量百分含量配比为：

水50％，温敏性聚合物15％，生物大分子25％，细胞生长因子及营养组分5％，光聚合引发剂2％，交联剂2％，其他调节剂1％。实施例5：

3D生物打印水凝胶材料的质量百分含量配比为：

水64％，温敏性聚合物15％，生物大分子15％，细胞生长因子及营养组分3％，光聚合引发剂1％，交联剂1％，其他调节剂1％。

实施例6：

3D生物打印水凝胶材料的质量百分含量配比为：

水50％，温敏性聚合物30％，生物大分子12％，细胞生长因子及营养组分3％，光聚合引发剂2％，交联剂2％，其他调节剂1％。

实施例7：

3D生物打印水凝胶材料的质量百分含量配比为：

水50％，温敏性聚合物14％，生物大分子30％，细胞生长因子及营养组分3％，光聚合引发剂1％，交联剂1％，其他调节剂1％。

实施例8：

3D生物打印水凝胶材料的质量百分含量配比为：

水64％，温敏性聚合物15％，生物大分子15％，细胞生长因子及营养组分3％，交联剂2％，其他调节剂1％。

实施例1-8的制备方法为常温下混合均匀即可。

将实施例1-8的水凝胶材料应用于3D生物打印中均能成型，且成型后具有良好的生物性能。

Claims (7)

1.一种3D生物打印水凝胶材料，其特征在于含有细胞生长因子及营养组分。

2.根据权利要求1所述的一种3D生物打印水凝胶材料，其特征在于含有水，温敏性聚合物和生物大分子。

3.根据权利要求2所述的一种3D生物打印水凝胶材料，其特征在于所述各组分的质量百分比为：

4.根据权利要求3所述的一种3D生物打印水凝胶材料，其特征在于还含有光聚合引发剂，交联剂和其他调节剂。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的一种3D生物打印水凝胶材料，其特征在于所述的温敏性聚合物选自聚N-异丙基丙基酰胺类、PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物以及具有温变性的改性天然高分子。

6.根据权利要求2-4中任一项所述的一种3D生物打印水凝胶材料，其特征在于所述的生物大分子选自纤维素、透明质酸、壳聚糖、海藻酸类天然高分子及其改性物。

7.一种权利要求1所述的3D生物打印水凝胶材料在3D生物打印中的应用。