CN104628936A - 一种利用3d打印制备高强度双网络水凝胶支架的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用3D打印制备高强度双网络水凝胶支架的方法，该方法采用聚合物单体N,N-二甲基丙烯酰胺、引发剂、交联剂与海藻酸钠（SA）加入去离子水配成溶液后再加入无机粉体羟基磷灰石得到溶胶；然后利用机器人点胶机控制挤出该溶胶进行3D打印成型得到溶胶支架；接着把溶胶支架置于紫外光下使支架中的单体发生光聚合与化学交联反应，形成一层化学交联网络的预成型水凝胶支架；再将该预成型水凝胶支架浸入CaCl2水溶液中使支架中的SA物理交联，形成第二层物理交联网络，得到具有物理、化学交联双网络水凝胶支架。本发明制备出的水凝胶支架具有较高的力学强度及精细的内部结构，并能方便地调控支架三维形态，以适应组织工程材料复杂的应用场合需要。
Description
技术领域
本发明属于生物医用高分子材料技术领域，具体涉及一种利用3D打印制备高强度双网络水凝胶支架的方法。
背景技术
在生物医疗领域，器官与组织的移植及修复仍面临巨大的困难与挑战。而近年来出现的3D打印组织工程支架技术在解决这类问题上发挥着越来越重要的作用。3D打印组织工程支架技术是把三维快速成型技术与组织工程技术相结合，打印出具有良好生物相容性、优异力学性能、理想三维微观结构及可控宏观外形的支架的一种新兴技术。通过这种技术打印出的支架可用于进行细胞培养，使细胞在其中生长、增殖与分化，形成具有特定形状结构的组织或器官，从而用于作为人体组织或器官的替代物，以解决器官或组织供体不足的问题。由于天然或合成聚合物水凝胶具有良好的生物相容性，因此在细胞培养上有着极大的应用价值。在过去的十几年里，这类水凝胶作为一系列组织或器官修复与再生的基板，已经引起了研究人员对它们的特别关注。理想的水凝胶支架材料应该具有如下特征：1、支架内部应具有相互贯通的三维网络结构，以利于细胞生长时营养物质的输送及代谢产物的排出；2、支架本身应具有良好的生物相容性及可控的降解性，以使其被新生成的组织所替代，以此来达到修复受损组织或器官的目的；3、支架应具有合适的表面化学性能，以适应细胞的粘附、增殖及分化；4、支架应具有较高的力学性能来承受消毒灭菌或在体内进行组织修复时所受到的外力作用（Hutmacher
D W, Schantz T, Zein I, et al. Journal of Biomedical Materials Research, 2001,
55: 203-216）。目前3D打印水凝胶所形成支架的一个重要的缺陷就是很难使其同时具有100～500μm的精细的线条结构与较高的力学强度（Hutmacher D W. Biomaterials, 2000, 21:
2529-2543）。
美国Boland 研究组利用带三轴平台的HP DeskJet 550将油墨盒中的海藻酸钠溶胶混合CaCl2溶液并进行喷射，通过层-层叠加的方法成功地打印出了海藻酸钠单层网络凝胶支架，再通过粘附性多肽对其进行表面处理之后进行老鼠内皮细胞培养，观察发现细胞在支架上生长状态良好（Boland
T, Xu T, Damon B J. et al. Materials Science and Engineering C, 2007, 27:
372-376）。德国Landers 研究组利用动物明胶及琼脂糖的温敏性，通过数控气压注射软件控制注射，把经过加热处理的明胶-琼脂糖混合溶液注射到处于受3D 打印机控制运动的溶液槽中的低温介质溶液中，使其快速固化成型（Landers
R, Hubner U, Schmelzeisen R, et al. Biomaterials, 2002, 23: 4437-4447）。以上通过层-层叠加技术所构建的三维凝胶支架，由于受固化手段的限制，仅能通过初步物理交联得到支架，这样物理交联得到的凝胶支架均为软而弱的凝胶支架，这不利于构建组织工程软骨修复支架的承载结构。此外，用全物理交联的凝胶打印出的凝胶支架力学性能不足，在进行消毒处理时容易受到破坏。
日本的Furukawa研究组为了3D成型双层网络水凝胶支架，把第一层脆性凝胶制成凝胶微粒后，与第二层柔性聚合物单体溶液混合，在用3D打印机打印成型支架的同时进行激光交联，成功打印出了具有较高力学性能的双层网络水凝胶支架（Muroi H, Hidema
R, Gong J, et al. Solid Mechanics and Materials Engineering, 2013, 7: 163-168）。在支架打印的同时进行激光交联，由于在水溶液中进行高分子化学交联反应较慢，使打印并同步交联的支架精度受到限制，一般约为数百微米至数毫米，这不利于构建精细复杂的组织支架结构。同时由于溶胶不同部位所受光照强度不同，聚合与交联反应的程度也会随之不同，使水凝胶的性能均匀性受到影响。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本专利采用三维快速成型技术与双网络高强度水凝胶制备技术结合的方法，制备出了一种复合水凝胶组织工程软骨修复支架。该组织工程软骨修复支架是由3D打印技术制备聚N,N-二甲基丙烯酰胺/海藻酸钠（PDMAA / SA）双网络结构水凝胶得到。先将制备第一层网络凝胶所需的聚合物单体N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）、引发剂、交联剂、制备第二层网络凝胶所需的海藻酸钠（SA）及无机粉体羟基磷灰石（HA）与去离子水混合得到混合溶胶；在选择的技术参数下利用机器人点胶机挤出打印得到溶胶支架后，先在紫外线照射下聚合并发生化学交联反应，形成带PDMAA网络的预成型支架，然后把得到的预成型支架浸泡在CaCl2水溶液中进行物理交联形成SA网络,得到的水凝胶具有物理、化学交联双网络互相均匀贯穿的结构。该制备方法既保证了支架的精细结构，又使支架强度大幅度提高，该支架具有与软骨组织支架相符的宏观形貌和力学性能、良好的生物相容性以及理想的三维多孔结构。本发明的方法工艺简单、成本低、无污染，制备的复合水凝胶支架可作为组织工程支架应用于关节软骨修复、半月板修复等软骨组织修复中。
为了实现本发明的目的，发明人通过大量试验研究并不断探索，最终获得了如下技术方案：
一种利用3D打印制备高强度双网络水凝胶支架的方法，所述方法包括如下步骤：
（1）溶胶的配制：将制备第一层网络凝胶所需的聚合物单体、引发剂、交联剂与制备第二层网络凝胶所需的海藻酸钠（SA）依次加入去离子水中混合均匀，配制成混合溶液后加入无机粉体，搅拌均匀得到混合溶胶；
（2）水凝胶支架的预成型：利用机器人点胶机，在选择的技术参数下挤出步骤（1）中所述配制好的混合溶胶，3D打印出具有精细结构的溶胶支架；
（3）水凝胶支架的交联定型：将步骤（2）所述打印出的溶胶支架置于波长为365nm、功率为300W的紫外灯下20～30cm处光照4～6小时，使聚合物单体引发聚合并发生化学交联反应后形成第一层网络，得到预成型的水凝胶支架；然后于室温下将所述预成型的水凝胶支架浸泡在浓度为 0.1～0.3mol/L的CaCl2水溶液中2～4小时，使所述预成型水凝胶支架中的海藻酸钠（SA）充分完成物理交联形成第二层水凝胶网络后得到所述高强度双网络水凝胶支架。
进一步地，在上述技术方案中，步骤（1）所述的聚合物单体为N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA），浓度为 1.51～2.42mol/L。
进一步地，在上述技术方案中，步骤（1）中所述的交联剂为N,N′-亚甲基双丙烯酰胺，浓度为0.0006mol/L。
进一步地，在上述技术方案中，步骤（1）中所述的光引发剂为2-酮戊二酸，浓度为0.0002mol/L。
进一步地，在上述技术方案中，步骤（1）中所述的海藻酸钠（SA）与N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）的质量比为1:（10～12）。
进一步地，在上述技术方案中，步骤（1）中所述加入的无机粉体为羟基磷灰石（HA），粒径为20～200nm，所述羟基磷灰石（HA）与海藻酸钠（SA）的质量比为（15～20）:1。
进一步地，在上述技术方案中，步骤（2）所述的利用机器人点胶机3D打印出具有精细结构的溶胶支架，所使用的机器人点胶机为通用商业牌号点胶机，可以是以下一种或几种：The Loctite®
200D Benchtop Robot、The Loctite®
300D Benchtop Robot、The Loctite®
400D Benchtop Robot，Sistema
Dosificador Ultra 2800。所述的机器人点胶机在3D打印过程中选择的技术参数为：
点胶机挤出速率（体积流率 ）
0.048ml/min～0.090ml/min
XY轴平台移动速率
180mm/min～250mm/min
Z轴步进高度
0.4mm～0.6mm
针头直径
100µm～500µm；
其中，本发明所述的针头直径是指机器人点胶机驱动医用注射器连接的精细针管的针头直径。
进一步地，在上述技术方案中，步骤（2）中所述3D打印所用配制好的混合溶胶零剪切粘度为1.7×105～4.0×105 Pa·s。
进一步地，在上述技术方案中，步骤（3）所述制备得到的高强度双网络水凝胶支架的线条直径为0.35～0.50mm，线条与线条间距为0.50～0.65mm。
与现有技术相比，本发明涉及的一种利用3D打印制备高强度双网络水凝胶支架的方法具有如下优点和进步性：
（1）本发明制备的混合溶胶能直接用于3D打印成型，且打印所得溶胶支架不会出现明显的坍塌现象，相较于已经报道的热敏水凝胶及光敏水凝胶的打印成型，这种打印方法不需要额外的激光成型及制冷加热设备，因而使打印成本更加低廉；
（2）本发明打印所得双层网络水凝胶支架同时具有精细的结构及良好的力学性能，相较于已经报道的水凝胶支架的制备方法，本发明采用的3D打印方法能使所得水凝胶支架同时具备微米级精细结构及良好的力学性能。
附图说明
图1为本发明的利用3D打印制备高强度双网络水凝胶支架的3D打印示意图。
图2为本发明实施例（2）中利用3D打印制备得到的高强度双网络水凝胶支架的显微俯视图像。
图3为本发明实施例（2）中利用3D打印制备得到的高强度双网络水凝胶支架的显微断面图像。
具体实施方式
本发明涉及一种利用3D打印制备高强度双网络水凝胶支架的方法，主要包括如下三个步骤：
（1）溶胶的配制：将制备第一层网络凝胶所需的聚合物单体、引发剂、交联剂与制备第二层网络凝胶所需的海藻酸钠（SA）依次加入去离子水中混合均匀，配制成混合溶液后加入无机粉体，搅拌均匀得到混合溶胶；
（2）水凝胶支架的预成型：利用机器人点胶机，在选择的技术参数下挤出步骤（1）中所述配制好的混合溶胶，3D打印出具有精细结构的溶胶支架；
（3）水凝胶支架的交联定型：将步骤（2）所述打印出的溶胶支架置于波长为365nm、功率为300W的紫外灯下20～30cm处光照4～6小时，使聚合物单体引发聚合并发生化学交联反应后形成第一层网络，得到预成型的水凝胶支架；然后于室温下将所述预成型的水凝胶支架浸泡在浓度为 0.1～0.3mol/L的CaCl2水溶液中2～4小时，使所述预成型水凝胶支架中的海藻酸钠（SA）充分完成物理交联形成第二层水凝胶网络，得到高强度双网络水凝胶支架；
其中，参见图1，该图显示了利用3D打印制备高强度双网络水凝胶支架的3D打印示意图。
下面通过单层海藻酸钠（SA）形成的水凝胶支架的比较例与引入聚N,N-二甲基丙烯酰胺（PDMAA）的PDMAA/SA双层网络水凝胶支架的具体实施例对本发明作进一步的描述,以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
比较例1
（1）将 1.5g海藻酸钠（SA）与去离子水混合均匀后定容到100ml，然后将上述100ml
的SA溶液缓慢加入装有22.5g粒径为20nm的HA的烧杯中，搅拌均匀，配制成混合溶胶；
（2）利用型号为The Loctite® 200D Benchtop Robot的机器人点胶机，调节机器人点胶机的相关打印参数后对步骤（1）中制得的混合溶胶进行3D打印，其中，调节机器人点胶机的挤出速率（体积流率）为0.072ml/min，XY轴平台移动速率为205mm/min，Z轴步进高度为0.5mm，针头直径为200µm，3D打印出溶胶支架；
（3）将步骤（2）所述打印好的溶胶支架于室温下浸泡在浓度为0.1mol/L的氯化钙（CaCl2）溶液中4小时使海藻酸钠（SA）充分交联，得到物理交联的单网络SA水凝胶支架比较例1样品。
实验测得：混合溶胶零剪切粘度约为1.7×105Pa·s，单网络SA水凝胶支架样品的线条直径约为700µm，线条间距约为300µm，模量约为50KPa，孔隙率约为30%。
实施例1
（1）将 1.5g海藻酸钠（SA）、15g N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）聚合物单体、0.0029g酮戊二酸（KA）光引发剂、0.0093g N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）交联剂与去离子水混合均匀定容到100ml，然后将上述100ml
的混合溶液缓慢加入装有22.5g粒径为20nm的HA的烧杯中，搅拌均匀，配制成混合溶胶；
（2）水凝胶支架的预成型：利用型号为The
Loctite® 200D Benchtop Robot的机器人点胶机，在选择的技术参数下挤出步骤（1）中配制好的混合溶胶，3D打印出具有精细结构的溶胶支架，其中，机器人点胶机选择的技术参数为：
点胶机挤出速率（体积流率）
0.048ml/min
XY轴平台移动速率
180mm/min
Z轴步进高度
0.4mm
针头直径
100µm；
（3）将步骤（2）所述打印好的溶胶支架先置于波长为365nm、功率为300W的紫外灯下20cm处光照4小时，使聚合物单体DMAA引发聚合并发生交联反应后得到带第一层PDMAA交联网络的预成型支架，然后将该预成型水凝胶支架于室温下浸泡在浓度为0.1mol/L的CaCl2水溶液中4小时，使水凝胶中的SA充分完成物理交联，形成第二层SA交联网络后得到高强度双网络PDMAA/SA水凝胶支架。
实验测得：混合溶胶零剪切粘度约为1.7×105Pa·s，高强度双网络PDMAA/SA水凝胶支架的线条直径约为500µm，线条间距约500µm，模量约为100KPa，孔隙率约为40%。
实施例2
（1）将 1.8g海藻酸钠（SA）、19.8g N,N-双甲基丙烯酰胺（DMAA）聚合物单体、0.0029g酮戊二酸（KA）光引发剂、0.0093g N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）交联剂与去离子水混合均匀定容到100ml，然后将上述100ml
的混合溶液缓慢加入装有32.4g粒径为80nm的HA的烧杯中，搅拌均匀，配制成混合溶胶；
（2）水凝胶支架的预成型：利用型号为Sistema
Dosificador Ultra 2800的机器人点胶机，在选择的技术参数下挤出步骤（1）中所述配制好的混合溶胶，3D打印出具有精细结构的溶胶支架，其中，机器人点胶机选择的技术参数为：
点胶机挤出速率（体积流率）
0.072ml/min
XY轴平台移动速率
250mm/min
Z轴步进高度
0.6mm
针头直径
200µm；
（3）将步骤（2）所述打印好的溶胶支架先置于波长为365nm、功率为300W的紫外灯下30cm处光照6小时，使聚合物单体DMAA引发聚合并发生交联反应后得到带第一层PDMAA交联网络的预成型支架，然后将该预成型水凝胶支架于室温下浸泡在浓度为0.2mol/L的CaCl2水溶液中3小时，使水凝胶中的SA充分完成物理交联，形成第二层SA交联网络后得到高强度双网络PDMAA/SA水凝胶支架。
参见图2和图3，分别为本实施例制备得到的高强度双网络水凝胶支架的显微俯视图像、显微断面图像。
实验测得：混合溶胶零剪切粘度约为3.2×105Pa·s，双网络PDMAA/SA凝胶支架线条直径约为350µm，线条间距约为650µm，模量约为180KPa，孔隙率约为65%。
实施例3
（1）将 2.0g海藻酸钠（SA）、24g N,N-双甲基丙烯酰胺（DMAA）聚合物单体、0.0029g酮戊二酸（KA）光引发剂、0.0093g N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）交联剂与去离子水混合均匀定容到100ml，然后将上述100ml 的混合溶液缓慢加入装有40g粒径为200nm的HA的烧杯中，搅拌均匀，配制成混合溶胶；
（2）水凝胶支架的预成型：利用型号为The
Loctite® 400D Benchtop Robot的机器人点胶机，在选择的技术参数下挤出步骤（1）中配制好的混合溶胶，3D打印出具有精细结构的溶胶支架，其中，所述机器人点胶机选择的技术参数为：
点胶机挤出速率（体积流率）
0.090ml/min
XY轴平台移动速率
220mm/min
Z轴步进高度
0.5mm
针头直径
500µm；
（3）将步骤（2）中所述打印好的溶胶支架先置于波长为365nm、功率为300W的紫外灯下25cm处光照5小时，使聚合物单体DMAA引发聚合并发生交联反应后得到带第一层PDMAA交联网络的预成型支架，然后将该预成型水凝胶支架于室温下浸泡在浓度为0.3mol/L的CaCl2水溶液中2小时，使水凝胶中的SA充分完成物理交联，形成第二层SA交联网络后得到高强度双网络水凝胶支架。
实验测得：混合溶胶零剪切粘度约为3.8×105Pa·s，双网络PDMAA/SA凝胶支架线条直径约为500µm，线条间距约为600µm，模量约为100KPa，孔隙率约为65%。
实施例4
（1）将
1.36g海藻酸钠（SA）、15g
N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）聚合物单体、0.0029g酮戊二酸（KA）光引发剂、0.0093g N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）交联剂与去离子水混合均匀定容到100ml，然后将上述100ml
的混合溶液缓慢加入装有27.2g粒径为20nm的HA的烧杯中，搅拌均匀，配制成混合溶胶；
（2）水凝胶支架的预成型：利用型号为The
Loctite® 200D Benchtop Robot的机器人点胶机，在选择的技术参数下挤出步骤（1）中配制好的混合溶胶，3D打印出具有精细结构的溶胶支架，其中，机器人点胶机选择的技术参数为：
点胶机挤出速率（体积流率）
0.048ml/min
XY轴平台移动速率
180mm/min
Z轴步进高度
0.4mm
针头直径
100µm；
（3）将步骤（2）所述打印好的溶胶支架先置于波长为365nm、功率为300W的紫外灯下20cm处光照4小时，使聚合物单体DMAA引发聚合并发生交联反应后得到带第一层PDMAA交联网络的预成型支架，然后将该预成型水凝胶支架于室温下浸泡在浓度为0.1mol/L的CaCl2水溶液中4小时，使水凝胶中的SA充分完成物理交联，形成第二层SA交联网络后得到高强度双网络PDMAA/SA水凝胶支架。
实验测得：混合溶胶零剪切粘度约为2.2×105Pa·s，高强度双网络PDMAA/SA水凝胶支架的线条直径约为450µm，线条间距约500µm，模量约为90KPa，孔隙率约为45%。
实施例5
（1）将
1.25g海藻酸钠（SA）、15g
N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）聚合物单体、0.0029g酮戊二酸（KA）光引发剂、0.0093g N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）交联剂与去离子水混合均匀定容到100ml，然后将上述100ml
的混合溶液缓慢加入装有22.5g粒径为20nm的HA的烧杯中，搅拌均匀，配制成混合溶胶；
（2）水凝胶支架的预成型：利用型号为The
Loctite® 200D Benchtop Robot的机器人点胶机，在选择的技术参数下挤出步骤（1）中配制好的混合溶胶，3D打印出具有精细结构的溶胶支架，其中，机器人点胶机选择的技术参数为：
点胶机挤出速率（体积流率）
0.048ml/min
XY轴平台移动速率
180mm/min
Z轴步进高度
0.4mm
针头直径
100µm；
（3）将步骤（2）所述打印好的溶胶支架先置于波长为365nm、功率为300W的紫外灯下20cm处光照4小时，使聚合物单体DMAA引发聚合并发生交联反应后得到带第一层PDMAA交联网络的预成型支架，然后将该预成型水凝胶支架于室温下浸泡在浓度为0.1mol/L的CaCl2水溶液中4小时，使水凝胶中的SA充分完成物理交联，形成第二层SA交联网络后得到高强度双网络PDMAA/SA水凝胶支架。
实验测得：混合溶胶零剪切粘度约为1.9×105Pa·s，高强度双网络PDMAA/SA水凝胶支架的线条直径约为500µm，线条间距约600µm，模量约为90KPa，孔隙率约为50%。
实施例6
将 1.98g海藻酸钠（SA）、19.8g N,N-双甲基丙烯酰胺（DMAA）聚合物单体、0.0029g酮戊二酸（KA）光引发剂、0.0093g N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）交联剂与去离子水混合均匀定容到100ml，然后将上述100ml 的混合溶液缓慢加入装有29.7g粒径为80nm的HA的烧杯中，搅拌均匀，配制成混合溶胶；
（1）水凝胶支架的预成型：利用型号为Sistema
Dosificador Ultra 2800的机器人点胶机，在选择的技术参数下挤出步骤（1）中所述配制好的混合溶胶，3D打印出具有精细结构的溶胶支架，其中，机器人点胶机选择的技术参数为：
点胶机挤出速率（体积流率）
0.072ml/min
XY轴平台移动速率
250mm/min
Z轴步进高度
0.6mm
针头直径
200µm；
（3）将步骤（2）所述打印好的溶胶支架先置于波长为365nm、功率为300W的紫外灯下30cm处光照6小时，使聚合物单体DMAA引发聚合并发生交联反应后得到带第一层PDMAA交联网络的预成型支架，然后将该预成型水凝胶支架于室温下浸泡在浓度为0.2mol/L的CaCl2水溶液中3小时，使水凝胶中的SA充分完成物理交联，形成第二层SA交联网络后得到高强度双网络PDMAA/SA水凝胶支架。
实验测得：混合溶胶零剪切粘度约为3.0×105Pa·s，高强度双网络PDMAA/SA水凝胶支架的线条直径约为400µm，线条间距约600µm，模量约为170KPa，孔隙率约为60%。
实施例7
将 1.65g海藻酸钠（SA）、19.8g N,N-双甲基丙烯酰胺（DMAA）聚合物单体、0.0029g酮戊二酸（KA）光引发剂、0.0093g N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）交联剂与去离子水混合均匀定容到100ml，然后将上述100ml 的混合溶液缓慢加入装有33g粒径为80nm的HA的烧杯中，搅拌均匀，配制成混合溶胶；
（2）水凝胶支架的预成型：利用型号为Sistema
Dosificador Ultra 2800的机器人点胶机，在选择的技术参数下挤出步骤（1）中所述配制好的混合溶胶，3D打印出具有精细结构的溶胶支架，其中，机器人点胶机选择的技术参数为：
点胶机挤出速率（体积流率）
0.072ml/min
XY轴平台移动速率
250mm/min
Z轴步进高度
0.6mm
针头直径
200µm；
（3）将步骤（2）所述打印好的溶胶支架先置于波长为365nm、功率为300W的紫外灯下30cm处光照6小时，使聚合物单体DMAA引发聚合并发生交联反应后得到带第一层PDMAA交联网络的预成型支架，然后将该预成型水凝胶支架于室温下浸泡在浓度为0.2mol/L的CaCl2水溶液中3小时，使水凝胶中的SA充分完成物理交联，形成第二层SA交联网络后得到高强度双网络PDMAA/SA水凝胶支架。
实验测得：混合溶胶零剪切粘度约为2.9×105Pa·s，高强度双网络PDMAA/SA水凝胶支架的线条直径约为400µm，线条间距约650µm，模量约为160KPa，孔隙率约为60%。
实施例8
（1）将 2.18g海藻酸钠（SA）、24g N,N-双甲基丙烯酰胺（DMAA）聚合物单体、0.0029g酮戊二酸（KA）光引发剂、0.0093g N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）交联剂与去离子水混合均匀定容到100ml，然后将上述100ml 的混合溶液缓慢加入装有32.7g粒径为200nm的HA的烧杯中，搅拌均匀，配制成混合溶胶；
（2）水凝胶支架的预成型：利用型号为The
Loctite® 400D Benchtop Robot的机器人点胶机，在选择的技术参数下挤出步骤（1）中配制好的混合溶胶，3D打印出具有精细结构的溶胶支架，其中，所述机器人点胶机选择的技术参数为：
点胶机挤出速率（体积流率）
0.090ml/min
XY轴平台移动速率
220mm/min
Z轴步进高度
0.5mm
针头直径
500µm；
（3）将步骤（2）中所述打印好的溶胶支架先置于波长为365nm、功率为300W的紫外灯下25cm处光照5小时，使聚合物单体DMAA引发聚合并发生交联反应后得到带第一层PDMAA交联网络的预成型支架，然后将该预成型水凝胶支架于室温下浸泡在浓度为0.3mol/L的CaCl2水溶液中2小时，使水凝胶中的SA充分完成物理交联，形成第二层SA交联网络后得到高强度双网络水凝胶支架。
实验测得：混合溶胶零剪切粘度约为3.7×105Pa·s，高强度双网络PDMAA/SA水凝胶支架的线条直径约为500µm，线条间距约650µm，模量约为90KPa，孔隙率约为65%。
实施例9
（1）将 2.4g海藻酸钠（SA）、24g N,N-双甲基丙烯酰胺（DMAA）聚合物单体、0.0029g酮戊二酸（KA）光引发剂、0.0093g N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）交联剂与去离子水混合均匀定容到100ml，然后将上述100ml
的混合溶液缓慢加入装有43.2g粒径为200nm的HA的烧杯中，搅拌均匀，配制成混合溶胶；
（2）水凝胶支架的预成型：利用型号为The
Loctite® 400D Benchtop Robot的机器人点胶机，在选择的技术参数下挤出步骤（1）中配制好的混合溶胶，3D打印出具有精细结构的溶胶支架，其中，所述机器人点胶机选择的技术参数为：
点胶机挤出速率（体积流率）
0.090ml/min
XY轴平台移动速率
220mm/min
Z轴步进高度
0.5mm
针头直径
500µm；
（3）将步骤（2）中所述打印好的溶胶支架先置于波长为365nm、功率为300W的紫外灯下25cm处光照5小时，使聚合物单体DMAA引发聚合并发生交联反应后得到带第一层PDMAA交联网络的预成型支架，然后将该预成型水凝胶支架于室温下浸泡在浓度为0.3mol/L的CaCl2水溶液中2小时，使水凝胶中的SA充分完成物理交联，形成第二层SA交联网络后得到高强度双网络水凝胶支架。
实验测得：混合溶胶零剪切粘度约为4.0×105Pa·s，高强度双网络PDMAA/SA水凝胶支架的线条直径约为500µm，线条间距约650µm，模量约为130KPa，孔隙率约为65%。
几种水凝胶支架的线条直径、线条间距、模量及孔隙率如表1所示。通过表1中的数据可以看出：通过复合体系可快速打印成型SA及PDMAA/SA凝胶支架，在SA中引入PDMAA网络得到的双网络PDMAA/SA凝胶支架，其力学性能及精细程度较SA单网络凝胶支架得到了明显的提高。
本发明中其它未详细说明的部分均属于现有技术。
表1：SA与PDMAA/SA凝胶支架的线条直径、线条间距、模量及孔隙率
。
Claims (8)
1.一种利用3D打印制备高强度双网络水凝胶支架的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（1）溶胶的配制：将制备第一层网络凝胶所需的聚合物单体、引发剂、交联剂与制备第二层网络凝胶所需的海藻酸钠（SA）依次加入去离子水中混合均匀，配制成混合溶液后加入无机粉体，搅拌均匀得到混合溶胶；
（2）水凝胶支架的预成型：利用机器人点胶机，在选择的技术参数下挤出步骤（1）中所述配制好的混合溶胶，3D打印出具有精细结构的溶胶支架；
（3）水凝胶支架的交联定型：将步骤（2）所述打印出的溶胶支架置于波长为365nm、功率为300W的紫外灯下20～30cm处光照4～6小时，使聚合物单体引发聚合并发生化学交联反应后形成第一层网络，得到预成型的水凝胶支架；然后于室温下将所述预成型的水凝胶支架浸泡在浓度为 0.1～0.3mol/L的CaCl2水溶液中2～4小时，使所述预成型水凝胶支架中的海藻酸钠（SA）充分完成物理交联形成第二层水凝胶网络后得到所述高强度双网络水凝胶支架。
2.根据权利要求1所述的一种利用3D打印制备高强度双网络水凝胶支架的方法，其特征在于，步骤（1）所述的聚合物单体为N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA），浓度为 1.51～2.42mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种利用3D打印制备高强度双网络水凝胶支架的方法，其特征在于，步骤（1）中所述的交联剂为N,N′-亚甲基双丙烯酰胺，浓度为 0.0006mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种利用3D打印制备高强度双网络水凝胶支架的方法，其特征在于，步骤（1）中所述的光引发剂为2-酮戊二酸，浓度为0.0002mol/L。
5.根据权利要求1或2所述的一种利用3D打印制备高强度双网络水凝胶支架的方法，其特征在于，步骤（1）中所述的海藻酸钠（SA）与N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）的质量比为1:（10～12）。
6.权利要求1或5所述的一种利用3D打印制备高强度双网络水凝胶支架的方法，其特征在于，步骤（1）中所述加入的无机粉体为羟基磷灰石（HA），粒径为20～200nm，所述羟基磷灰石（HA）与海藻酸钠（SA）的质量比为（15～20）:1。
7.根据权利要求1所述的一种利用3D打印制备高强度双网络水凝胶支架的方法，其特征在于，步骤（2）中所述3D打印所用配制好的混合溶胶零剪切粘度为1.7×105～4.0×105 Pa·s。
8.根据权利要求1所述的一种利用3D打印制备高强度双网络水凝胶支架的方法，其特征在于，步骤（3）所述制备得到的高强度双网络水凝胶支架的线条直径为0.35～0.50mm，线条与线条间距为0.50～0.65mm。
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Legal Events
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170510 Termination date: 20190225 |