CN105031713A

CN105031713A - 一种3d生物打印的医用敷料及其制备方法

Info

Publication number: CN105031713A
Application number: CN201510537312.0A
Authority: CN
Inventors: 魏坤; 胡露
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2015-11-11

Abstract

本发明公开了一种3D生物打印的医用敷料及其制备方法。该医用敷料的主要成分为脱细胞胶原，利用快速成型技术制备而成。本发明使用含脱细胞胶原的生物材料制备医用敷料，具有良好的生物相容性，无毒副作用，无免疫排斥反应；同时使用快速成型技术制备具有三维结构的敷料，制备工艺方便快捷，操作步骤简单，可根据不同病人的伤口大小和材料的特点，精确控制敷料的几何外形、孔径、孔隙率及孔的分布，为病人制订个性化的具有良好透气性和吸水性的医用敷料。

Description

一种3D生物打印的医用敷料及其制备方法

技术领域

本发明属于生物医用材料的制备技术领域，具体涉及一种3D生物打印的医用敷料及其制备方法。

背景技术

医用敷料的主要功能是作为伤口的覆盖物，在伤口愈合过程中，替代受损的皮肤起到暂时性屏障作用，避免或控制伤口感染，提供有利于创面愈合的环境。传统敷料主要指脱脂棉纱布、纱布条、棉球和棉膜等天然纤维类材料，可使伤口干燥，具备物理隔离功能；但存在渗出物结痂造成伤口粘连，换药时引发疼痛及新的创伤，以及细菌滋生、保湿及止血性能不佳等问题。1962年，英国人Winter提出了“湿润伤口愈合理论”，即伤口在湿润的环境下比干燥的环境下愈合要快，使得人们对伤口愈合过程的认识有了突破性的进展。学者们认为，生物敷料通常应具备以下要求：①伤口组织处粘连程度轻，不易与伤口渗液粘连成痂，减轻换药时的疼痛及造成新生组织损伤；②保湿、吸湿性良好，能有效保留伤口渗液同时不形成积液；③抗菌、抑菌性较好，预防伤口感染；④生物相容性好，对人体无刺激，不会引起中毒、病变等。

胶原蛋白是从动物组织中分离提纯得到的天然蛋白质，来源丰富，具有低抗原性、良好的生物相容性、生物可降解性、细胞适应性及与血小板凝聚促进止血等优点，对皮肤创伤修复具有较好的促进作用。

快速成型技术(RP)诞生于20世纪80年代后期，是基于离散和堆积的原理，通过CT、核磁共振成像扫描人体病变缺损区后，利用计算机建立与人体病变缺损区几何形体一致的CAD模型，或根据产品的要求，在计算机上设计出三维模型，然后对其进行分层切片，把各层断面的轮廓作近似处理，并用一系列小三角形平面来逼近模型，通过STL格式文件传输到快速成型机进行加工，在指定部位精确堆积，制造与计算机建立CAD模型相一致的零件的技术。RP可以精确地调控孔径大小、孔径分布以及支架的几何形状而不受复杂程度的影响。

利用快速成型技术将主要成分为脱细胞胶原的生物材料制成具有规则三维多孔结构的敷料，不仅具有很强的亲水性和吸水性，止血作用好，可以吸收大量组织渗出物，使创口渗血很快凝固，防止伤口干燥；并为表皮细胞的迁移、增殖铺垫了支架，有利于上皮细胞的增生修复，为创面愈合提供良好的营养基础；且制备工艺方便快捷，操作步骤简单，可用于治疗不同病原的皮肤损伤。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种生物相容性好、人体免疫排斥反应小、无毒副作用的，可根据病人伤口的大小和形状个性化设计的，具有良好透气性和吸水性的3D生物打印医用敷料及其制备方法。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种3D生物打印的医用敷料，其特征在于，主要成分含有脱细胞胶原。根据不同病人的伤口大小、形状，利用快速成型技术制备成个性化的具有规则三维多孔结构的敷料，孔隙率为60～80％，孔隙连通率为90％以上。

一种3D生物打印的医用敷料的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用计算机辅助设计(CAD)软件设计出伤口敷料的三维结构模型，并把该三维模型保存为STL格式文件，然后导入三维打印机中，用分层软件进行分层处理；

(2)将含有脱细胞胶原的生物材料用去离子水配制成溶液或直接加入三维打印机中，设置打印温度、平台温度、针头大小、挤出压力、挤出速度、内部结构和孔径参数，然后启动三维打印机将具有规则多孔结构的伤口敷料三维多孔结构模型逐层打印成型；

(3)最后将得到的三维多孔结构伤口敷料雏形进行后处理或不处理直接得到一种3D生物打印的医用敷料。

进一步地，步骤(1)中，所述三维结构模型为利用计算机辅助设计软件根据不同病人伤口的大小和形状设定成特定形状、特定尺寸、特定规格的敷料三维结构模型；

进一步地，步骤(2)中，所述生物材料为以下任意一种或多种：脱细胞胶原、透明质酸、海藻酸钠、壳聚糖、硅胶、琼脂、羟基磷灰石、磷酸三钙、生物玻璃、乳酸一羟基乙酸共聚物、聚乳酸、聚羟基乙酸、聚己内酯和聚羟基脂肪酸酯；

进一步地，步骤(2)中，所述材料打印温度为2～170℃，平台温度为0～65℃，针头大小为0.2～0.4mm，挤出压力为1.0～3.5bar，挤出速度为1.0～5.0mm/s，孔径为0.1～1.2mm；

进一步地，步骤(2)中，所述内部结构为喷头角度0～179°交错排列，分层厚度为0.16～0.32mm；

进一步地，步骤(2)中，所述溶液生物材料的质量与溶液的体积比为1～20g：100ml；

进一步地，步骤(3)中，所述三维多孔结构伤口敷料雏形的孔隙率为60～90％，孔隙连通率为80％以上；

进一步地，步骤(3)中，所述后处理方法为以下任意一种或多种：冷冻干燥、真空干燥、京尼平交联和800～1200℃煅烧；所述京尼平交联中京尼平水溶液的浓度为0.1～0.5mg/ml。

与现有技术相比，本发明具有如下优点及效果：

(1)本发明中，具有规则多孔结构的伤口敷料雏形由快速成型技术制备而成，不仅制备工艺方便快捷，操作步骤简单，而且可根据不同病人的伤口大小、形状和材料的特点，制定个性化的伤口敷料，更好地与受伤部位相匹配。

(2)本发明使用含脱细胞胶原的生物材料制备支架，安全无毒副作用，无免疫排斥反应，具有良好的生物相容性。

(3)本发明制备的伤口敷料不仅具有个性化的外观，同时还具有复杂多孔的内部结构，良好的透气性和吸水性，能促进创面愈合，有利于细胞、血管和组织的生长。

附图说明

图1为本发明具体实施例的过程示意图。

图2为L929细胞在本发明实施例1中得到的医用敷料上增殖情况的时间-OD值图。

具体实施方式

为进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例。

实施例1

(2)将15g脱细胞胶原加入100ml去离子水中，搅拌2h至完全溶解，得到脱细胞胶原水溶液，将其过滤后把滤液加入三维打印机的料筒中，离心后静置24小时；在VisualMachines软件中设置打印温度为室温，平台温度为10℃，针头大小为0.3mm，挤出压力为1.2bar，挤出速度为3.0mm/s，孔径为0.8mm，设置内部结构为0°和90°交错排列，分层厚度为0.24mm；然后启动三维打印机将具有规则多孔结构的伤口敷料三维结构模型逐层打印成型，得三维多孔结构伤口敷料雏形；

(3)用去离子水配制0.25mg/ml的京尼平水溶液100ml，将得到的三维多孔结构伤口敷料雏形放入京尼平水溶液中处理20min，然后取出用磷酸盐缓冲液(PBS)清洗三次，得到一种3D生物打印的医用敷料。

实施例2

(2)将10g脱细胞胶原和3g海藻酸钠加入100ml去离子水中，搅拌2h至完全溶解，得到脱细胞胶原和海藻酸钠的混合水溶液，然后将其过滤，把滤液加入三维打印机的料筒中，离心后静置24小时；然后在VisualMachines软件中设置打印温度为室温，平台温度为10℃，针头大小为0.2mm，挤出压力为2.8bar，挤出速度为1.5mm/s，孔径为0.5mm，设置内部结构为0°和90°交错排列，分层厚度为0.16mm；然后启动三维打印机将具有规则多孔结构的伤口敷料三维结构模型逐层打印成型，得三维多孔结构伤口敷料雏形；

(3)用去离子水配制0.2mg/ml的京尼平水溶液100ml，将得到的三维多孔结构伤口敷料雏形放入京尼平水溶液中处理20min，然后取出用磷酸盐缓冲液(PBS)清洗三次，得到一种3D生物打印的医用敷料。

实施例3

(2)将10g脱细胞胶原和3g透明质酸加入100ml去离子水中，搅拌2h至完全溶解，得到脱细胞胶原和透明质酸的混合水溶液，然后将其过滤，把滤液加入三维打印机的料筒中，离心后静置24小时；然后在VisualMachines软件中设置打印温度为室温，平台温度为5℃，针头大小为0.4mm，挤出压力为1.0bar，挤出速度为4.0mm/s，孔径为0.8mm，设置内部结构为0°和90°交错排列，分层厚度为0.32mm；然后启动三维打印机将具有规则多孔结构的伤口敷料三维结构模型逐层打印成型，得三维多孔结构伤口敷料雏形；

(3)用去离子水配制0.15mg/ml的京尼平水溶液100ml，将得到的三维多孔结构伤口敷料雏形放入京尼平水溶液中处理30min，然后取出用磷酸盐缓冲液(PBS)清洗三次，得到一种3D生物打印的医用敷料。

实施例4

(2)将10g脱细胞胶原和3g壳聚糖加入100ml去离子水中，搅拌2h至完全溶解，得到脱细胞胶原和壳聚糖的混合水溶液，然后将其过滤，把滤液加入三维打印机的料筒中，离心后静置24小时；然后在VisualMachines软件中设置打印温度为室温，平台温度为5℃，针头大小为0.2mm，挤出压力为3.0bar，挤出速度为3.5mm/s，孔径为1.0mm，设置内部结构为0°和90°交错排列，分层厚度为0.16mm；然后启动三维打印机将具有规则多孔结构的伤口敷料三维结构模型逐层打印成型，得三维多孔结构伤口敷料雏形；

实施例5

(2)将2g分子量3.1万、PLA:PGA单体比为50:50的聚乳酸一羟基乙酸共聚物加入三维打印机的不锈钢料筒中，在VisualMachines软件中设置打印温度为150℃，平台温度为20℃，静置30min使材料充分熔融混合均匀；然后设置针头大小为0.2mm，挤出压力为3bar，挤出速度为1.5mm/s，孔径为0.6mm，设置内部结构为0°和90°交错排列，分层厚度为0.16mm；然后启动三维打印机将具有规则多孔结构的伤口敷料三维结构模型逐层打印成型，得伤口敷料三维结构支架雏形；

(3)将得到的伤口敷料三维结构支架雏形用磷酸盐缓冲液(PBS)清洗三次，得到一种3D生物打印的医用敷料。

实施例6

(2)将15g脱细胞胶原加入100ml去离子水中，搅拌2h至完全溶解，得到脱细胞胶原水溶液，将其过滤后把滤液加入三维打印机的料筒中，离心后静置24小时；同时将2g分子量3.1万、PLA:PGA单体比为50:50的聚乳酸一羟基乙酸共聚物加入三维打印机的不锈钢料筒中；然后在VisualMachines软件中分别设置两种材料的打印温度，加入胶原水溶液的三维打印机的打印温度为室温，加入聚乳酸一羟基乙酸共聚物的三维打印机的打印温度为150℃，平台温度为10℃，静置30min保持温度稳定；然后设置加入胶原的三维打印机的针头大小为0.2mm，挤出压力为2.8bar，挤出速度为3.0mm/s，孔径为0.6mm，内部结构为0°和90°交错排列，分层厚度为0.18mm；设置加入乳酸一羟基乙酸共聚物的三维打印机的针头大小为0.3mm，挤出压力为1.5bar，挤出速度为4.0mm/s，分层厚度为0.18mm；启动三维打印机将伤口敷料三维结构模型的外边框用聚乳酸一羟基乙酸共聚物逐层打印，内部网格结构由脱细胞胶原逐层打印成型，得三维多孔结构伤口敷料雏形；

(3)用去离子水配制0.3mg/ml的京尼平水溶液100ml，将得到的三维多孔结构伤口敷料雏形放入京尼平水溶液中处理15min，然后取出用磷酸盐缓冲液(PBS)清洗三次，得到一种3D生物打印的医用敷料。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，但并不能理解为对本发明范围的限制。对于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，还可以做出其他不同形式的变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

以下以实施例1制备的3D生物打印医用敷料进行测试。图1为本发明具体实施例的过程示意图，图2为L929细胞在本发明实施例1中得到的医用敷料上增殖情况的时间-OD值图。仅用作示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

分别测定本发明实施例1制备的3D生物打印医用敷料和现在市面产品(威克伤高负压封闭引流装置；15×10cm；密闭性生物活性敷料)的物理性能，包括干态和湿态拉伸强度、密度、孔隙率、孔径分布、透气率、对去离子水和生理盐水的吸水率、保湿率，结果如表1所示。

拉伸强度的测定方法如下：分别将干态和湿态的待测材料按GB/T634-1996切成标准样条，在美国Instron万能力学试验机上测定试样的拉伸强度。

透气率的测定方法如下：广口瓶内装一定量的蒸馏水，用待测材料密封瓶口，以另一个装有蒸馏水的不封口广口瓶作为对照组，室温放置24h，计算透气率，计算公式为：透气率＝24h实验组失水量/对照组失水量×100％。

吸水率的测定方法如下：将待测材料剪成1cm×1cm的样品，精密称定质量W₁，浸入含去离子水或生理盐水50mL的容器中，室温静置至吸水达饱和；取出后用滤纸吸去表面水分，精密称定质量W₂，计算吸水率，计算公式为：吸水率＝(W₂－W₁)/W₁×100％。

保湿率的测定方法如下：将待测材料剪成2cm×2cm的样品，精密称定质量W₁，浸泡于去离子水中使其吸水达平衡，取出后500r/min离心3min，精密称定质量W₂，计算保湿率，计算公式为：保湿率＝(W₁－W₂)/W₁×100％。

体外细胞毒性实验(CCK-8法)：

设置空白组(L929小鼠成纤维细胞)，实验组(3D打印医用敷料、L929小鼠成纤维细胞)。种植细胞前，先将3D打印敷料于70％的乙醇溶液中浸泡2h，然后将敷料取出用PBS洗涤5遍，分别将敷料的每个面在紫外灯下照射30min。然后，将材料于37℃下分别浸没在培养基中过夜，随后每孔加入L929细胞悬液500μl，放入37℃、5％二氧化碳、95％湿度的培养箱中培养。

利用细胞增殖检测试剂盒CCK-8评价L929细胞在敷料上的增殖情况。在预定时间点将CCK-8原液用培养基按1:10(v/v)稀释得到工作液；吸去孔板中的培养基，向每孔加入200μl工作液；在培养箱中避光孵育2h后，轻微振荡混匀，然后吸去100μl上清工作液至96孔板中，用酶标仪在450nm波长处检测其吸收值，记录OD值(见图2)。由图2可知，本发明3D打印医用敷料安全无毒副作用，具有良好的生物相容性。

表1本发明3D打印医用敷料与市面产品物理性能对比

由表1可知，与市面产品相比，本发明的3D生物打印医用敷料具有理想的力学和物理性能，孔隙率高、孔径分布均匀，拉伸强度良好，透气性好，吸水率和保湿率均较高，满足医用敷料的要求。

Claims

1.一种3D生物打印的医用敷料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用计算机辅助设计CAD软件设计出伤口敷料的三维结构模型，并把该三维模型保存为STL格式文件，然后导入三维打印机中，用分层软件进行分层处理；

(2)将含有脱细胞胶原的生物材料用去离子水配制成溶液或直接加入三维打印机中，设置打印温度、平台温度、针头大小、挤出压力、挤出速度、内部结构和孔径参数，然后启动三维打印机将具有规则多孔结构的伤口敷料三维多孔结构模型逐层打印成型，得三维多孔结构伤口敷料雏形；

2.根据权利要求1所述的一种3D生物打印的医用敷料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述生物材料为以下任意一种或多种：脱细胞胶原、透明质酸、海藻酸钠、壳聚糖、硅胶、琼脂、羟基磷灰石、磷酸三钙、生物玻璃、乳酸一羟基乙酸共聚物、聚乳酸、聚羟基乙酸、聚己内酯和聚羟基脂肪酸酯。

3.根据权利要求1所述的一种3D生物打印的医用敷料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述打印温度为2~170℃，平台温度为0~65℃，针头大小为0.2~0.4mm，挤出压力为1.0~3.5bar，挤出速度为1.0~5.0mm/s，孔径为0.1~1.2mm。

4.根据权利要求1所述的一种3D生物打印的医用敷料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述内部结构为喷头角度0~179°交错排列，分层厚度为0.16~0.32mm。

5.根据权利要求1所述的一种3D生物打印的医用敷料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述溶液中生物材料的质量与溶液的体积比为1~20g：100ml。

6.根据权利要求1所述的一种3D生物打印的医用敷料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述三维多孔结构伤口敷料雏形的孔隙率为60~90%，孔隙连通率为80%以上。

7.根据权利要求1所述的一种3D生物打印的医用敷料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述后处理方法为以下任意一种或多种：冷冻干燥、真空干燥、京尼平交联和800~1200℃煅烧；所述京尼平交联所用京尼平水溶液的浓度为0.1~0.5mg/ml。

8.由权利要求1所述制备方法制得的一种3D生物打印的医用敷料。