CN105238132B - 一种用于3d打印的生物墨水 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于3D打印的生物墨水，其组成成分包括具有交联功能的水溶性合成聚合物、具有交联功能的水溶性天然高分子、能自发形成特殊超微结构的生物活性组分、交联引发剂和溶剂，进一步还包括生物活性组分；本发明克服了传统的3d打印墨水溶液成分结构单一、不具有良好的生物学活性、需要利用有机溶剂、很难兼顾细胞相容性、生物活性和力学性能等缺点，获得一种同时具有生物活性和快速固化功能，且可形成一定微观结构的生物墨水，由此墨水固化成型获得的水凝胶具有可控的力学性能、良好的结构稳定性和保真效果。

Description

一种用于3D打印的生物墨水

技术领域

本发明涉及一种墨水，尤其是涉及一种用于3D生物打印制造生物支架材料如生物组织、器官的生物墨水。

背景技术

3D打印技术(又称3D快速成型技术或增材制造技术)是近年来兴起的一项新兴制造技术，该技术主要是在计算机控制下，依照打印物的计算机辅助设计(CAD)模型或计算机断层扫描(CT)获得数据后转化的模型，通过材料精确3D堆积，快速制造指定形状的3D物体的数字化成型技术。随着3D打印技术的不断进步，其应用领域包括生活用品、机械设备、生物医疗等。3D打印技术虽然在生物医药领域如疾病模型、药物缓释、组织工程与再生医学引起人们足够重视，但迄今为止，采用3D打印技术制造真正适合于体内植入的器官或组织还面临很大的挑战，其中研发适合于3D打印的生物材料是关键。目前适合于3D打印的生物材料主要停留于科学研究阶段，应用于生物医疗的3D打印技术广泛采用的是合成材料包括热塑性可降解吸收聚酯塑料(PLA、PLGA、PCL，PEG以及他们的共聚物)，以及一些天然高分子材料(海藻酸盐、纤维蛋白、胶原、明胶、壳聚糖、透明质酸等，如Richard(WO2014085725)公开了一种采用结构蛋白水溶液及粘度调节剂组成的生物高分子基生物墨水。上述合成材料大多采用有机溶剂或者高温进行3D打印，打印出的支架结构稳定，但精度有限，不能与细胞混合打印。水溶性的天然高分子材料可以和细胞同时打印，并能保持其活性，但支架力学性能、仿真性和稳定性差。现有材料无论单独使用还是复合都很难兼顾细胞相容性、生物活性和力学性能。因此，生物墨水，尤其是用于软组织仿生制造的生物墨水，这是至今全世界都没有很好解决的难题。

发明内容

为了解决目前用于3D打印的生物墨水匮乏的难题，本发明提供一种同时具有生物活性和快速光固化功能，同时可形成一定微观结构可降解吸收的用于3D生物打印的生物墨水。

本发明的技术方案为：一种用于3D打印的生物墨水，包括如下组分：具有交联功能的水溶性合成聚合物、具有交联功能的水溶性天然高分子、能自发形成特殊超微结构的生物活性组分、交联引发剂和溶剂。

优选地，本发明用于3D打印的生物墨水，包括如下质量百分比的组分：水溶性合成聚合物1％～40％、水溶性天然高分子0.01％～20％、生物活性组分0.01％～15％、交联引发剂0.01％～1％、溶剂余量，各组分百分比之和为100％。

本发明用于3D打印的生物墨水，固化成型后为水凝胶状态，具有微观纳米纤维网络结构。

所述具有交联功能的水溶性合成聚合物主要是指采用双键修饰的水溶性聚醚酯，水溶性聚醚酯双键数目不少于2个。水溶性聚醚酯以水溶性聚醚为主链，通过在末端聚合引入少量聚酯单元(如TMC,CL,LA等)作为疏水末端，并对端基进行双键修饰或利用羟基引发含双键的活性单体聚合引入双键，通过调控聚醚的种类和分子量、调控引入的聚酯的种类和长度，达到调控最终形成的水凝胶的力学性能和降解性能的目的。因此水溶性聚醚酯为最终产品提供了力学支撑、韧性和延缓降解的作用。

其中，所述水溶性聚醚包括并不限于：线性或支化(2-8臂)的聚乙二醇(PEG)，普罗沙姆，F127等各种聚环氧乙烷和环氧丙烷类聚醚中一种或多种混合物；所述聚酯单元包括并不限于:三亚甲基碳酸酯(TMC)、己内酯(CL)、丙交酯(LA)、乙交酯(GA)、对二氧环己酮(dioxanone)中的一种或多种混合物。

所述具有交联功能的水溶性天然高分子主要是指采用双键修饰的天然高分子，引入双键数目不少于2个，所述天然高分子包括并不限于蛋白质、多糖、多聚氨基酸中的一种；对蛋白质、多糖、多聚氨基酸等水溶性天然高分子进行双键修饰，其本身可提供一定的生物学活性，这些天然高分子由多个氨基酸或糖单元组成，每个重复单元均可引入双键，随着双键数目的增加，交联点增加，交联密度上升，达到了抑制单纯的聚醚酯水凝胶溶胀的效果，同时由于这些天然高分子在体内降解较快，而聚醚酯水凝胶的引入很好的增加了天然高分子水凝胶的降解周期，延长了最终产品的体内应用时间。

其中，蛋白质包括并不限于胶原、明胶、丝蛋白、大豆蛋白、玉米蛋白、纤粘蛋白、层粘黏蛋白等；多糖包括并不限于透明质酸、海藻酸钠、壳聚糖、淀粉、纤维素、糖原、琼脂糖、环糊精等。

所述生物活性组分主要包括可自组装的包含特定生物学功能序列的短肽和源于人体/异体各部位组织的脱细胞基质；所述短肽包括并不限于RGD、YIGSR、IKVAV、VVIVIY、RLRRTMLV、GPGGD等序列；所述脱细胞组织基质来源包括并不限于人体/异体(猪、鼠、狗、兔等)身体中神经、脊髓、骨、脂肪、心脏、肝脏、眼球、小肠粘膜下层、肌腱等组织。在温和的条件下，这些生物活性组分即可通过物理缠结、蛋白折叠等作用自发形成特殊的纳米纤维网络的微观结构，这种特殊的微观结构已经被证实可以促进和引导细胞的生长、迁移和分化等行为。这种生物活性组分不仅可以提供良好的生物学功能来促进细胞和组织的再生等，它还可以自组装形成纳米纤维的结构，通过这种物理信号的引导来调控细胞的命运。

所述交联引发剂主要采用自由基引发剂或光引发剂，后者较前者引发交联速率更快，随着交联剂含量的增高，交联时间可逐渐减小到5秒以内；引发剂与双键作用产生自由基，带双键的水溶性合成聚合物和水溶性天然高分子交联固化形成水凝胶；其中，所述自由基引发剂包括并不限于TEMED或过硫酸铵中的一种；所述光引发剂包括并不限于I2959、BTC、BPQ、ABP、QTX、BAPO((2,4,6-三甲基苯甲酰基)苯基氧化膦)、MBS(磺化2-苄基-2-二甲氨基-1-(4-吗啉苯基)-1-丁酮)中的一种。

所述溶剂为含胃蛋白酶的盐酸溶液或去离子水，当生物活性组分采用脱细胞基质时，溶剂采用含胃蛋白酶的盐酸溶液；当生物活性组分采用短肽是，溶剂采用去离子水。

本发明的有益效果为：

1、本发明生物墨水都是水溶性组分，且成分皆具有优秀的生物相容性，可与细胞良好复合，可进行复合细胞的3D生物打印；

2、本发明生物墨水可以利用光引发等方式快速固化成型，可解决目前3D打印缺乏合适快速成型水凝胶的难题；

3、本发明生物墨水含有生物活性组分为含特定生物功能序列的短肽或脱细胞基质组分，这些成分与组织、器官的功能和成分匹配，实现了生物功能上的仿生，具有生物活性；

4、本发明生物墨水含有生物活性组分，可形成特殊的微观纳米纤维网络结构，实现了结构上的仿生，可以促进和引导细胞的生长、迁移和分化等行为；具备重建组织再生结构微环境的功能；

5、本发明生物墨水，固化成型过程可形成互穿网络结构，减少了固化成型过程目标制品的收缩率或溶胀性，具有良好结构稳定性，和高仿真性。

6、本发明生物墨水，可通过调节聚醚酯和天然高分子的浓度和比例调控固化成型制品的力学性能和降解时间，以匹配不同组织的模量和实际应用需求；

7、本发明生物墨水组分均不具有细胞毒性，并且有优异的生物活性组分，可用于包埋细胞，实现活性打印。

附图说明

图1为本发明实施例1生物墨水3D打印成型制得的水凝胶；

图2为本发明实施例1和实施例2生物墨水固化成型制得的水凝胶的SEM图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

实施例1

一种用于3D打印的生物墨水，由聚醚酯、透明质酸、生物活性组分、交联引发剂以及溶剂组成，本实施例生物活性组分采用脱细胞基质，其制备方法如下：

(1)采用水溶性PEG引发TMC聚合得到PTMC-PEG-PTMC三嵌段聚醚酯共聚物，对端基进行双键修饰，获得水溶性聚醚酯PFMC；

(2)对透明质酸的羟基进行双键修饰获得具有交联功能的水溶性天然高分子；

(3)采用脱细胞的方法对神经组织进行脱细胞处理，获得脱细胞神经组织，将该脱细胞神经组织进行粉碎处理获得水溶性脱细胞神经基质材料；

(4)按质量分数取0.5％脱细胞基质粉末用胃蛋白酶的盐酸溶液(即消化液)消化为溶液，加入氢氧化钠调节溶液PH值为7.4，取1％透明质酸、8％水溶性聚醚酯PEMC、0.05％光引发剂I2959溶于调节好PH的含0.5％脱细胞基质的消化液中，制得生物墨水；其中透明质酸、水溶性聚醚酯PEMC、光引发剂I2959、脱细胞基质和消化液总量为100％。

进一步地，取20ml该生物墨水与1ml 5×105cells/ml的神经干细胞混合后，在365nm紫外照射下可在5s内光交联固化成型，将所得到的水凝胶低温下浸泡于10xPBS中，再于37℃下培养于1xPBS中所获得的最终的水凝胶的外观形貌如图1所示。所获得生物墨水固化成型的水凝胶，具有优秀的生物相容性，可与细胞良好复合。

实施例2

一种用于3D打印的生物墨水，由聚醚酯、透明质酸、生物活性组分、交联引发剂以及溶剂组成，本实施例生物活性组分采用脱细胞基质，其制备方法如下：

(1)采用水溶性F127引发TMC聚合得到PTMC-F127-PTMC三嵌段聚醚酯共聚物，对端基进行双键修饰，获得水溶性聚醚酯PFMC；

(2)对透明质酸的羟基进行双键修饰获得具有交联功能的水溶性天然高分子；

(3)采用脱细胞的方法对肌腱组织进行脱细胞处理，获得脱细胞肌腱组织，将该脱细胞肌腱组织进行粉碎处理获得水溶性脱细胞神经基质材料(生物活性组分)；

(4)按质量分数取1％脱细胞基质粉末用胃蛋白酶的盐酸溶液消化为溶液，调节PH为7.4，取1％透明质酸、8％水溶性聚醚酯PEMC、0.05％光引发剂I2959溶于调节好PH的含1％脱细胞基质的消化液中，制得生物墨水；其中透明质酸、水溶性聚醚酯PEMC、光引发剂I2959、脱细胞基质和消化液总量为100％。

取20ml该生物墨水与1ml 5×10⁵cells/ml的神经干细胞混合后，在365nm紫外照射下可在5s内光交联固化成型，将所得到的水凝胶低温下浸泡于10xPBS中，再于37℃下培养于1xPBS中获得的最终的具有纳米纤维微观结构的水凝胶，具体结果与实例1类似。

将实施例1和实施例2得到的水凝胶经过固定、脱水处理后，用SEM扫描电子显微镜观察如图2所示(a,b为实施例1制得水凝胶的SEM图；c,d为实施例2制得水凝胶的SEM图)，图中由SEM结果可看出，不同浓度的脱细胞基质溶液形成的水凝胶均具有纳米纤维网络结构，这种纳米纤维网络结构对于后期的体外和体内生物学研究中对于细胞的生长、迁移、分化等行为都具有良好的促进和调节作用。

本发明生物墨水经测试，可快速固化成型，固化成型时间控制在5s～40s；经过了流变力学测试，显示具有可控的力学性能；经过扫描电镜测试显示，固化成型后，具有微观纳米纤维结构；测试固化成型后的制品显示，其体积溶胀率可控在50％以内，因此具有良好的结构稳定性，良好的保真效果。

实施例3

一种用于3D打印的生物墨水，由聚醚酯、透明质酸、生物活性组分、交联引发剂以及去离子水组成，本实施例生物活性组分采用短肽，其制备方法如下：

(1)采用水溶性F127引发TMC聚合得到PTMC-F127-PTMC三嵌段聚醚酯共聚物，对端基进行双键修饰，获得水溶性聚醚酯PFMC；

(2)对透明质酸的羟基进行双键修饰获得具有交联功能的水溶性天然高分子；

(3)按质量分数取1％RADARADARADARADA-RGD短肽，1％透明质酸、8％水溶性聚醚酯PEMC、0.05％光引发剂I2959溶于100％去离子水中，制得生物墨水。

取20ml该生物墨水与1ml 5×10⁵cells/ml的神经干细胞混合后，在365nm紫外照射下可在5s内光交联固化成型，再于37℃下培养于1xPBS中获得的最终的具有纳米纤维微观结构的水凝胶，具体结果与实例1类似

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围内。

Claims (2)

1.一种用于3D打印的生物墨水，其特征在于，包括如下质量百分比的组分：采用双键修饰的水溶性聚醚酯1％～40％、采用双键修饰的天然高分子0.01％～20％、生物活性组分0.01％～15％、交联引发剂0.01％～1％、溶剂余量；

其中，所述采用双键修饰的水溶性聚醚酯由水溶性聚醚和聚酯单元聚合而成；双键修饰的水溶性聚醚酯其引入双键数目不少于2个；

所述采用双键修饰的天然高分子为蛋白质、多糖、多聚氨基酸中的一种；双键修饰的天然高分子其引入双键数目不少于2个；

所述生物活性组分包括可自组装的包含特定生物学功能序列的短肽或源于人体或异体各部位组织的脱细胞基质；

所述交联引发剂为自由基引发剂或光引发剂；

所述溶剂为含胃蛋白酶的盐酸溶液或去离子水。

2.根据权利要求1所述的用于3D打印的生物墨水，其特征在于，其固化成型后，具有微观纳米纤维网络结构。