CN104721887A

CN104721887A - 一种利用3d打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法

Info

Publication number: CN104721887A
Application number: CN201510087138.4A
Authority: CN
Inventors: 李学锋; 李坚; 闫晗; 杨倩; 龙世军
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2035-02-25
Also published as: CN104721887B

Abstract

本发明公开了一种利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，首先按质量浓度为8～12%的比例将聚乙烯醇（PVA）树脂加入去离子水中搅拌分散，在90～95℃恒温水浴中完全溶解得到PVA溶液；将得到的PVA溶液缓慢加入无机粉体纳米氧化硅（SiO₂）中，搅拌均匀得到具有触变性能的混合溶胶，其中，纳米SiO₂与PVA的质量比为（0.5～1）﹕1；然后利用机器人点胶机挤出混合溶胶，3D打印成型得到溶胶支架样品；最后将该样品置于-20～-40℃冷冻室冷冻20～22小时，取出后室温解冻熔融2～4小时，得到具有可控精细结构的水凝胶支架。本发明方法能够方便、快速的制备生物支架，并实现了支架结构以及内部孔隙的可控，以适应不同应用场合的需要。

Description

一种利用 3D 打印制备聚乙烯醇 / 纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法

技术领域

本发明涉及一种快速成型水凝胶生物支架的方法，更具体地说，本发明涉及一种利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，属于生物医用高分子材料技术领域。

背景技术

人类由于衰老、事故等原因经常会造成关节软骨的损坏，而软骨作为一种再生能力很弱的组织，其修复是一大难题。目前临床上采用最多方法的是用生物材料进行修复，但这种方法会引起机体的排异反应。随着组织工程技术的发展，以生物支架为载体，结合软骨种子细胞、生长因子，通过体内或体外培养构建软骨组织对受伤组织进行修复是极具前景的修复方法。在这一过程中生物支架具有重要作用，它为细胞、组织的重建提供了必要的三维空间和力学支持。因此，需要生物支架具有良好的力学性能、生物相容性、理想的三维结构。水凝胶是一类高含水但不溶于水，具有三维网络结构的软湿材料，因其具有良好生物相容性、环境敏感性且对环境无害而受到广泛关注。目前，生物支架的制备一般是采用水凝胶，因为聚乙烯醇（PVA）水凝胶具有无毒、机械性能优良、吸水率高和生物相容性好等优点，受到人们最为广泛的关注。但目前对PVA水凝胶生物支架的制备还有一些缺陷——不能方便的调节支架外形和支架内部孔隙，支架的精细度还不够高。且将PVA 水凝胶运用于关节软骨替代材料，其强度仍较低。

中国专利公开号CN101544767A公开了一种生物相容性高强度三维连通多孔PVA水凝胶的制备方法，该方法是以聚乙烯醇为基体材料，利用表面活性剂与可溶性固体颗粒复合致孔，并用超声波清洗的方法制备三维多孔聚乙烯醇水凝胶，该方法虽然能够得到三维通孔的网络结构，但无法实现支架结构与孔洞形状的可控、可调。中国专利公开号CN103120806A公开了一种基于PVA水凝胶生物软骨支架的制备方法，该方法是以羟基磷灰石微球为基体材料，通过3D打印机打印出软骨成型模具来成型含有骨细胞的PVA水凝胶，该方法虽然实现了支架制备的零污染，缩短了制备周期，但利用模具来间接成型PVA水凝胶，无法得到具有复杂结构的生物支架。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用三维快速成型技术制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，该方法首先是以PVA为基质，在该基质中引入无机粉体纳米氧化硅对PVA溶液进行粘度调节后，得到具有触变性能的溶胶，然后将得到的溶胶进行3D打印成型，再将成型样品冷冻-熔融后得到可控精细结构的聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶生物支架。本发明方法工艺简单、成本低廉，且对环境无任何污染。

为了实现本发明的目的，发明人通过大量试验研究和不懈探索，最终获得了如下技术方案：

一种利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：材料的准备，包括如下子步骤：

子步骤1.1：按质量浓度为8～12%的比例将PVA树脂加入去离子水中搅拌分散均匀后，置于90～95℃恒温水浴中冷凝回流2～3小时，至PVA完全溶解，得到PVA溶液；

子步骤1.2：将子步骤1.1所述得到的PVA溶液于95℃真空干燥箱内脱气30～60分钟，脱气完后，将脱气后的PVA溶液缓慢加入无机粉体纳米氧化硅中，充分搅拌，至无机粉体纳米氧化硅均匀分散在所述PVA溶液中，得到具有触变性能的混合溶胶，所述混合溶胶中无机粉体纳米氧化硅与PVA的质量比为（0.5～1）﹕1；

步骤2：支架的成型：

利用机器人点胶机驱动医用注射器连接精细针管或移液管滴头，通过调节所述点胶机XY轴平台的移动速率、Z轴步进高度、点胶机的挤出体积流率这些技术参数，挤出步骤1中所述制备得到的混合溶胶，3D打印成型得到溶胶支架样品；

步骤3：支架的后处理：

将步骤2所述的溶胶支架样品置于-20～-40℃冷冻室冷冻20～22小时后，取出后室温解冻熔融2～4小时，得到具有可控精细结构的水凝胶支架。

优选地，如上所述的利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，其中步骤1中所述无机粉体纳米氧化硅为气相纳米氧化硅（SiO₂），粒径为20～100nm。

优选地，如上所述的利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，其中利用平板流变仪检测步骤1所述混合溶胶，其零切粘度为8000～13000Pa·s；所述混合溶胶在注射器针管或移液管滴头加工挤出时的表观粘度为5～30Pa·s。

优选地，如上所述的利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，其中步骤2所述的精细针管管口或移液管滴头的直径为0.1～0.5mm。

优选地，如上所述的利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，其中步骤2所述XY轴平台的移动速率为100～300mm/min，Z轴步进高度为0.2～0.6mm，点胶机挤出体积流率为0.5～1.0mm³/s。

优选地，如上所述的利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，其中步骤3所述具有可控精细结构的水凝胶支架为长方体或圆柱体，组成所述支架的水凝胶线条截面直径为0.3～0.7mm；所述水凝胶支架内部孔洞为正四边形，所述正四边形边长为0.3～0.7mm。

优选地，如上所述的利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，所述长方体水凝胶支架外形尺寸为：长×宽×高=（10～20）mm×（10～20）mm×（1～5）mm；所述圆柱体水凝胶支架外形尺寸为：直径×高=φ（10～20）mm×（1～5）mm。

优选地，如上所述的利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，其中步骤2所述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。

需要说明的是，上述的制备方法中，使用无机粉体纳米氧化硅使溶胶具有增稠性和触变性，这是由于纳米无机粉体表面具有很多高活性的硅羟基，表面硅羟基能够通过氢键与水发生强烈的作用而充满于整个体系，使得体系的粘度增加从而起到增稠性和触变性。

上述的制备方法中，还可以通过改变冷冻-熔融的循环数来调整PVA水凝胶支架的性能，冷冻-熔融的循环数增加时，链间缠结增加，分子间氢键作用会更加显著，缠结点增加，从而影响水凝胶支架的力学性能。

本发明与现有相比，其突出的特点在于：

（1）本发明的水凝胶生物支架采用的基体材料为PVA水凝胶，该水凝胶具有良好的柔软性、弹性和生物相容性；

（2）本发明避免了结构的负型去除，实现了对支架零污染的制备；

（3）本发明采用机器人点胶机3D打印水凝胶支架，实现了支架结构以及内部孔隙的可控，便于支架在细胞培养过程中营养物质、细胞代谢产物的流通与排泄。

附图说明

图1为本发明的利用3D打印制备PVA/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法的流程示意图。

图2为本发明实施例（3）中PVA/纳米氧化硅复合水凝胶支架显微俯视图像。

图3为本发明实施例（3）中PVA/纳米氧化硅复合水凝胶支架显微断面图像。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。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。

实施例1

步骤1：材料的准备，包含如下子步骤：

子步骤1.1：将8g PVA树脂加入到92g去离子水中，搅拌分散均匀后置于95℃恒温水浴中冷凝回流2小时，至PVA完全溶解，得到100g PVA溶液；

子步骤1.2：将子步骤1.1制得的100g PVA溶液置于95℃真空干燥箱内脱气30分钟，脱气完后，将所述脱气后的PVA溶液缓慢加入装有4g粒径为20nm的气相纳米氧化硅（SiO₂）的烧杯中，充分搅拌，至气相纳米氧化硅均匀分散在PVA溶液中，得到具有触变性能的混合溶胶；

步骤2：支架的成型：

利用型号为The Loctite^® 200D Benchtop Robot的机器人点胶机驱动医用注射器连接直径为0.1mm的移液管滴头挤出步骤1所述制备得到的混合溶胶，调节XY轴平台移动速率为100mm/min，Z轴步进高度为0.2mm，挤出机挤出体积流率为0.5mm³/s，3D打印成型得到溶胶支架样品；

步骤3：支架的后处理：

将步骤2所述制得的溶胶支架样品置于-40℃冷冻室冷冻20小时，取出后室温解冻熔融4小时，得到具有可控精细结构的水凝胶支架。

利用平板流变仪检测步骤1中所述的混合溶胶，测得混合溶胶的零切粘度为9200Pa·s，溶胶在移液管滴头挤出时的表观粘度为10 Pa·s。

最终制得的水凝胶支架外形为长方体，测得其外形尺寸为：长×宽×高=10mm×10 mm×2mm；组成支架的水凝胶线条截面直径为0.5mm；水凝胶支架内部孔洞为正四边形，边长为0.3mm。

实施例2

步骤1：材料的准备，包括如下子步骤：

子步骤1.1：将10g PVA树脂加入到90g去离子水中，搅拌分散均匀后置于90℃恒温水浴中冷凝回流3小时，至PVA完全溶解，得到PVA溶液；

子步骤1.2：将子步骤1.1制得的PVA溶液置于95℃真空干燥箱内脱气30分钟，脱气完后，将所述脱气后的PVA溶液缓慢加入装有8g粒径为50nm的气相氧化硅（SiO₂）的烧杯中，充分搅拌，至纳米氧化硅均匀分散在PVA溶液中，得到具有触变性能的混合溶胶；

步骤2：支架的成型：

利用型号为Sistema Dosificador Ultra 2800的机器人点胶机驱动医用注射器连接直径为0.5mm的移液管滴头挤出步骤1所述制备得到的混合溶胶，调节XY轴平台移动速率为220mm/min，Z轴步进高度0.5mm，挤出机挤出体积流率为0.8mm³/s，3D打印成型得到溶胶支架样品；

步骤3：支架的后处理：

将步骤2所述溶胶支架样品置于-25℃冷冻室冷冻20小时，取出后室温解冻熔融3小时，得到具有可控精细结构的水凝胶支架样品。

参见图2和图3，分别显示了本实施例最终制得的PVA/纳米氧化硅复合水凝胶支架的显微俯视图像和显微断面图像。

利用平板流变仪检测步骤1中所述的混合溶胶，测得所述混合溶胶的零切粘度为11000 Pa·s，溶胶在移液管滴头挤出时的表观粘度为20 Pa·s。

最终制得的水凝胶支架外形为长方体，测得其外形尺寸为：长×宽×高=10mm×10 mm×2mm；组成所述水凝胶支架的水凝胶线条截面直径为0.4mm；水凝胶支架内部孔洞为正四边形，边长为0.4mm。

实施例3

步骤1：材料的准备，包括如下子步骤：

子步骤1.1：将12g PVA树脂加入到88g去离子水中，搅拌分散均匀后置于95℃恒温水浴中冷凝回流2小时，至PVA完全溶解，得到100g PVA溶液；

子步骤1.2：将子步骤1.1制得的100g PVA溶液置于90℃真空干燥箱内脱气60分钟，脱气完后，将脱气后的PVA溶液缓慢加入装有12g粒径为100nm的气相氧化硅（SiO₂）的烧杯中，充分搅拌，至纳米氧化硅均匀分散在PVA溶液中，得到具有触变性能的混合溶胶；

步骤2：支架的成型：

利用型号为The Loctite^® 400D Benchtop Robot的机器人点胶机驱动医用注射器连接管口直径为0.3mm的精细针管挤出步骤1所述制备得到的混合溶胶，调节XY轴平台移动速率为300mm/min，Z轴步进高度为0.6mm，挤出机精细针管出体积流率为1.0mm³/s，3D打印成型得到溶胶支架样品；

步骤3：支架的后处理：

将步骤2所述的溶胶支架样品置于-20℃冷冻室冷冻22小时，取出后室温解冻熔融4小时，得到水凝胶支架。

利用平板流变仪检测步骤1中所述的混合溶胶，测得混合溶胶的零切粘度为13000 Pa·s，溶胶在针管挤出时的表观粘度为30 Pa·s。

最终制得的水凝胶支架外形为长方体，测得其外形尺寸为：长×宽×高=10mm×10 mm×2mm；组成所述水凝胶支架的水凝胶线条截面直径为0.3mm；水凝胶支架内部孔洞为正四边形，边长为0.7mm。

实施例4

步骤1：材料的准备，包括如下子步骤：

子步骤1.2：将子步骤1.1制得的100g PVA溶液置于90℃真空干燥箱内脱气60分钟，脱气完后，将脱气后的PVA溶液缓慢加入装有4g粒径为50nm的气相氧化硅（SiO₂）的烧杯中，充分搅拌，至纳米氧化硅均匀分散在PVA溶液中，得到具有触变性能的混合溶胶；

步骤2：支架的成型：

步骤3：支架的后处理：

利用平板流变仪检测步骤1中所述的混合溶胶，测得混合溶胶的零切粘度为9000 Pa·s，溶胶在针管挤出时的表观粘度为8 Pa·s。

最终制得的水凝胶支架外形为圆柱体，测得其外形尺寸为：直径×高=φ20 mm×5mm；组成所述水凝胶支架的水凝胶线条截面直径为0.6mm；水凝胶支架内部孔洞为正四边形，边长为0.7mm。

实施例5

步骤1：材料的准备，包括如下子步骤：

子步骤1.1：将8g PVA树脂加入到92g去离子水中，搅拌分散均匀后置于90℃恒温水浴中冷凝回流3小时，至PVA完全溶解，得到100g PVA溶液；

子步骤1.2：将子步骤1.1制得的100g PVA溶液置于90℃真空干燥箱内脱气60分钟，脱气完后，将脱气后的PVA溶液缓慢加入装有4g粒径为100nm的气相氧化硅（SiO₂）的烧杯中，充分搅拌，至纳米氧化硅均匀分散在PVA溶液中，得到具有触变性能的混合溶胶；

步骤2：支架的成型：

步骤3：支架的后处理：

利用平板流变仪检测步骤1中所述的混合溶胶，测得混合溶胶的零切粘度为8000 Pa·s，溶胶在针管挤出时的表观粘度为5 Pa·s。

最终制得的水凝胶支架外形为圆柱体，测得其外形尺寸为：直径×高=φ10 mm×1mm；组成所述水凝胶支架的水凝胶线条截面直径为0.7mm；水凝胶支架内部孔洞为正四边形，边长为0.7mm。

通过以上实施例可以看出：

五种不同含量与粒径的纳米氧化硅改性的PVA溶液均能通过机器人点胶机驱动医用注射器来3D成型水凝胶支架，可方便的设计支架的外部形貌、精细的调控支架内部孔隙的贯通，同时制备过程中没有引入其他有害的化学品，保留PVA水凝胶无毒、机械性能优良、吸水率高和生物相容性好等良好性能。

其他未详细说明的部分均属于现有技术。

Claims

1.一种利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：材料的准备，包括如下子步骤：

子步骤1.1：按质量浓度为8～12%的比例将聚乙烯醇（PVA）树脂加入去离子水中搅拌分散均匀后，置于90～95℃恒温水浴中冷凝回流2～3小时，至PVA完全溶解，得到PVA溶液；

步骤2：支架的成型：

步骤3：支架的后处理：

2.根据权利要求1所述的一种利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，其特征在于，步骤1中所述无机粉体纳米氧化硅为气相纳米氧化硅，粒径为20～100nm。

3.根据权利要求1所述的一种利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，其特征在于，步骤1中所述混合溶胶的零切粘度为8000～13000Pa·s；所述混合溶胶在注射器针管或移液管滴头加工挤出时的表观粘度为5～30Pa·s。

4.根据权利要求1所述的一种利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，其特征在于，步骤2所述的精细针管管口或移液管滴头的直径为0.1～0.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，其特征在于，步骤2所述XY轴平台的移动速率为100～300mm/min，Z轴步进高度为0.2～0.6mm，点胶机挤出体积流率为0.5～1.0mm³/s。

6.根据权利要求1所述的一种利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，其特征在于，步骤3所述具有可控精细结构的水凝胶支架为长方体或圆柱体，组成所述支架的水凝胶线条截面直径为0.3～0.7mm；所述水凝胶支架内部孔洞为正四边形，所述正四边形边长为0.3～0.7mm。

7.根据权利要求6所述的一种利用3D打印制备聚乙烯醇/纳米氧化硅复合水凝胶支架的方法，其特征在于，所述长方体水凝胶支架外形尺寸为：长×宽×高=（10～20）mm×（10～20）mm×（1～5）mm；所述圆柱体水凝胶支架外形尺寸为：直径×高=φ（10～20）mm×（1～5）mm。