CN106944166A - 一种采用生物打印制备微流控通道模型的方法 - Google Patents

一种采用生物打印制备微流控通道模型的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用生物打印制备微流控通道模型的方法，属于生物微加工领域。其制备方法如下：通过打印，将海藻酸钠作为生物墨水按照所需的行径注入到含有钙离子或钡离子的介质中，海藻酸钠随即转变成海藻酸凝胶，打印结束后，将液态介质进一步固化，然后再通过离子交换作用，将包埋在介质中的海藻酸钠凝胶线条液化，液化后的海藻酸钠被排出体系，最终得到稳定的微通道结构。本发明可以快速、经济、方便地打印出微流控通道结构，且制备过程温和，生物相容性好；该发明对微流控芯片、血管组织工程、3D药物输送及筛选等领域的研究有着重要的意义。

Description

一种采用生物打印制备微流控通道模型的方法
技术领域
本发明涉及一种采用生物打印制备微流控通道模型的方法，属于生物微加工技术领域。
背景技术
微通道网络广泛地存在于自然界中，它们在生物体内的营养物质运输、能量交换，以及机体的自主修复等过程中发挥着重要的作用。因此，如何利用功能材料构建此类微通道网络系统吸引了科学家们的研究兴趣。到目前为止，已有几种方法用来制备微通道网络结构，其中，生物打印法由于其制备过程的生物相容性而受到人们的广泛关注。在现有的生物打印法中, 所使用的打印墨水主要有石蜡、蔗糖-葡萄糖混合物、以及褪性有机墨水（Fugitive Organic Ink ）等。
发明内容
本发明旨在提供一种采用生物打印制备微流控通道模型的方法，制备过程温和，生物相容性好。
本发明提供了一种采用生物打印制备微流控通道模型的方法，使用海藻酸钠溶液作为"生物墨水"，在三维生物凝胶内部构建了一个类似于血管通道的微流控系统。包括如下步骤：
第一步：打印
以海藻酸钠溶液作为生物墨水，通过注射器针头，将海藻酸钠溶液按照所需三维打印的行径，该注射行程通过3D打印机编程控制；注入到含有钙离子或钡离子的介质体系中，海藻酸钠随即转变成柱状凝胶线条，线条的直径为100-2000 μm，静置5～30分钟；
所需三维打印的行径指注射器注射时的路径，与最后所需的网状结构一致，这种网状结构类似于组织体内的血管网络模型。
第二步：固化介质体系
根据介质体系的种类和物理性质，通过改变温度或其他交联的方式，将液态的介质体系转变成固态体系，从而将海藻酸钙凝胶线条固定在体系中；
第三步：形成微通道
将上述形成的固态体系放置于去离子水中，冲洗掉其中多余的钙离子或钡离子，然后将该体系浸泡到柠檬酸钠溶液中，通过离子交换作用，将凝胶态的线条转变成液化的海藻酸钠溶液，最后将液化后的海藻酸钠溶液排出体系，从而形成微通道。
上述的离子交换作用，柠檬酸钠溶液中的钠离子可置换出海藻酸钙凝胶中的钙离子（Na+ + Ca(Alg)2 + H+ = Ca2+ + HAlg + NaAlg）。
上述方法中，所述第一步中，海藻酸钠溶液的质量浓度为0.6-4.0 %，所述钙离子浓度为10～150 mmol/L，所述钡离子浓度为10～150 mmol/L。
上述方法中，所述第二步中，介质体系包括：琼脂、琼脂-胶原蛋白、琼脂-明胶中的任一种。此处的介质体系是所说的支架材料。
第二步中，根据介质体系的种类和物理性质，通过改变温度或化学交联的方式使介质体系固化。
上述方法中，第三步中，所述柠檬酸钠溶液的浓度为5～25 mmol/L，浸泡时间为0.2～1小时。
本发明采用海藻酸钠作为生物墨水，通过生物打印，将海藻酸钠溶液按照所需的行径注入到含有钙离子或钡离子的介质中，海藻酸钠随即转变成海藻酸凝胶。打印结束后，液态介质被进一步固化，然后通过离子交换作用，将包埋在介质中的海藻酸凝胶线条液化，液化后的海藻酸钠被排出固化介质，最终得到稳定的微通道结构。本发明使用海藻酸钠作为"生物墨水"来构建微通道模型，相比于其他生物打印墨水，海藻酸钙凝胶线条的形成及液化过程温和，且生物相容性好。
本发明的有益效果：
（1）本发明可以快速、经济、方便地打印出微通道结构，所形成微通道尺寸和空间结构可根据预先设定的行径和参数调整；
（2）制备过程温和，生物相容。
（3）该发明对微流控芯片、血管组织工程、3D药物输送及筛选等领域的研究有着重要的意义。
附图说明
图1 柠檬酸钠与海藻酸钙的反应机理图。
图2为微流控通道模型的制备过程示意图。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
第一步：打印
以质量浓度为0.8 %海藻酸钠溶液作为生物墨水，通过注射器针头（32G），将其按照所需三维打印的行径注入到含有钙离子介质体系中，所使用的介质体系为2 % （质量浓度）的低熔点琼脂溶液，钙离子的浓度为120 mmol/L，海藻酸钠随即转变成柱状凝胶线条，静置8分钟。为防止琼脂溶液变成凝胶，整个过程在37℃水浴中进行。
第二步：固化介质体系
将上述的低熔点琼脂溶液放置在冰盒上，经冷却处理，直至液态琼脂变成固态凝胶，从而将海藻酸钙凝胶线条固定在琼脂凝胶体系中。
第三步：形成微通道
将上述形成的固态体系放置于去离子水中，连续冲刷，去除掉其中多余的钙离子，然后将该体系浸泡到10 mmol/L的柠檬酸钠溶液中，静置30min，通过离子交换作用，将凝胶态的线条转变成液化的海藻酸钠溶液，最后将液化后的海藻酸钠溶液排出体系，从而形成微通道，通道的直径为200 μm。
实施例2：
第一步：打印
以质量浓度为1.5%海藻酸钠溶液作为生物墨水，通过注射器针头（26G），将其按照所需三维打印的行径注入到含有钙离子介质体系中，所使用的介质体系为低熔点琼脂和I型胶原的混合液，琼脂浓度为2%（质量浓度），胶原浓度为2mg/mL，钡离子的浓度为100 mmol/L，海藻酸钠随即转变成柱状凝胶线条，静置15分钟。为防止琼脂溶液变成凝胶，整个过程在37℃水浴中进行。
第二步：固化介质体系
将上述的液态体系放置在冰盒上，经冷却处理，直至液态琼脂变成固态凝胶，从而将海藻酸钙凝胶线条固定在琼脂凝胶体系中。
第三步：形成微通道
将上述形成的固态体系放置于去离子水中，连续冲刷，去除掉其中多余的钡离子，然后将该体系浸泡到15 mmol/L的柠檬酸钠溶液中，静置35min，通过离子交换作用，将凝胶态的线条转变成液化的海藻酸钠溶液，最后将液化后的海藻酸钠溶液排出体系，从而形成微通道，通道的直径为600 μm。
实施例3：
第一步：打印
以质量浓度为3.5%海藻酸钠溶液作为生物墨水，通过注射器针头（14G），将其按照所需三维打印的行径注入到含有钙离子介质体系中，所使用的介质体系为低熔点琼脂和明胶的混合液，琼脂浓度为2.5%（质量浓度），明胶浓度为2mg/mL，钙离子的浓度为60 mmol/L，海藻酸钠随即转变成柱状凝胶线条，静置15分钟。为防止琼脂溶液变成凝胶，整个过程在37℃水浴中进行。
第二步：固化介质体系
将上述的液态体系放置在冰盒上，经冷却处理，直至液态琼脂变成固态凝胶，从而将海藻酸钙凝胶线条固定在琼脂凝胶体系中。
第三步：形成微通道
将上述形成的固态体系放置于去离子水中，连续冲刷，去除掉其中多余的钙离子，然后将该体系浸泡到25 mmol/L的柠檬酸钠溶液中，静置40min，通过离子交换作用，将凝胶态的线条转变成液化的海藻酸钠溶液，最后将液化后的海藻酸钠溶液排出体系，从而形成微通道，通道的直径为1500 μm。

Claims (6)

1.一种采用生物打印制备微流控通道模型的方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：打印
以海藻酸钠溶液作为生物墨水，通过注射器针头，将海藻酸钠溶液按照所需三维打印的行径注入到含有钙离子或钡离子的介质体系中，海藻酸钠随即转变成柱状凝胶线条，静置5～30分钟；
第二步：固化介质体系
将液态的介质体系转变成固态体系，从而将海藻酸钙凝胶线条固定在体系中；
第三步：形成微通道
将上述形成的固态体系放置于去离子水中，冲洗掉其中多余的钙离子或钡离子，然后将该体系浸泡到柠檬酸钠溶液中，通过离子交换作用，将凝胶态的线条转变成液化的海藻酸钠溶液，最后将液化后的海藻酸钠溶液排出体系，从而形成微通道。
2.根据权利要求1所述的采用生物打印制备微流控通道模型的方法，其特征在于：第一步中，海藻酸钠溶液的质量浓度为0.6-4.0 %，钙离子浓度为10～150 mmol/L，钡离子浓度为10～150 mmol/L。
3.根据权利要求1所述的采用生物打印制备微流控通道模型的方法，其特征在于：柱状凝胶线条的直径为100-2000 μm。
4.根据权利要求1所述的采用生物打印制备微流控通道模型的方法，其特征在于：所述第二步中，介质体系包括：琼脂、琼脂-胶原蛋白、琼脂-明胶中的任一种。
5.根据权利要求1所述的采用生物打印制备微流控通道模型的方法，其特征在于：根据介质体系的种类和物理性质，通过改变温度或化学交联的方式使介质体系固化。
6.根据权利要求1所述的采用生物打印制备微流控通道模型的方法，其特征在于：第三步中，所述柠檬酸钠溶液的浓度为5～25 mmol/L，浸泡时间为0.2～1小时。
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