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一种用于3d生物打印的可触变性磷酸镁基凝胶的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种用于3D生物打印的可触变性磷酸镁基凝胶的制备方法,其步骤为:(A)预处理:配制浓度为1.0‑2.0mol/L的磷酸液;配制碱性物质浓度为1.0‑2.0mol/L的碱溶液;(B)凝胶前驱体溶液配制:将氧化镁或镁盐加入到磷酸液中,配制成磷酸与氧化镁或镁盐的摩尔比为1.7‑2.5:1的凝胶前驱体溶液;(C)凝胶反应:将碱溶液加入到凝胶前驱体溶液中,其中碱性物质与氧化镁或镁盐的摩尔比为2.5‑3.5:1,搅拌5‑10min,然后静置2‑3h,即得。该法的工艺简单、制备成本低;制备的磷酸镁基凝胶用作3D生物打印材料,其注射性和成型性好,具有良好的生物相容性,打印后的细胞活性高。

Description

一种用于3D生物打印的可触变性磷酸镁基凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于3D生物打印的可触变性磷酸镁基凝胶的制备方法。
背景技术
由于各种原因导致的组织、器官缺损或坏死是危害人类健康的主要原因,临床处置需要对这些组织进行替换和再生。通过体外构建组织工程支架培养相应的组织和器官能更高效、快速的进行组织替换和再生。但通过体外修复支架制备组织和器官,存在制造精度差、支架材料的降解和组织生成速率不匹配、以及难以形成复杂的、血管化的组织或器官的缺陷。3D生物打印技术的出现有望解决传统组织工程学的难题,成为构建组织或器官的新方法。
3D生物打印是基于医学图像转换设计的模型,在计算机精确控制下,将生物打印“墨水”(生物相容材料和细胞)层层打印成型,体外构建类似于体内的三维结构与微环境。3D生物打印得到的三维结构与微环境提供了一个仿生的三维细胞培养条件,再经过合适的培养,最终培育成功能化的、体内替换和再生的组织和器官。目前常见的3D生物打印方法有喷墨打印型、激光辅助型和挤出型三种(Li J,Chen M,Fan X,et al.Recent advances inbioprinting techniques:approaches,applications and future prospects.Journalof Translational Medicine,2016,14(1):271.)。其中,挤出型3D打印是一种综合性能较好的打印方式,打印过程条件温和,可避免使用有毒试剂、以及高温、高压等苛刻的工作条件,主要是利用机械力或者空气压力将“生物墨水”从喷头挤出,从而构建三维的结构(Zhang Z,Wang B,Hui D,et al.3D bioprinting of soft materials-basedregenerative vascular structures and tissues.Composites Part B:Engineering,2017.)。虽然这种打印类型操作和原理简单,但是这种打印方式对材料性能要求较高,要求材料具有较好的注射性和成型性,这样才能在较低的机械力作用下使“生物墨水”顺利喷出,并且能够较快的形成形状。
受材料的注射性和成型性的限制,目前能够应用于挤出型3D生物打印的生物材料匮乏。在打印过程中材料挤出困难,需要对打印材料施加更大的挤出力,会给细胞带来损伤,降低打印后细胞的活性。为了提高现有生物材料打印性能的不足,往往需要使用一些助剂进行改性。例如磷酸钙基生物材料常用于骨组织工程中,但由于成型性和注射性较差,难以满足3D生物打印技术的基本要求,往往需要甘油磷酸钠、柠檬酸,磷酸,聚乙烯吡咯烷酮等作为助剂(金晶.添加剂对注射型磷酸钙骨水泥流变性能的影响.华东理工大学,2004.)。但助剂的使用往往会降低打印材料的生物相容性,限制了其在3D生物打印中的应用(Leroux L,Hatim Z,Frèche M,et al.Effects of various adjuvants(lactic acid,glycerol,and chitosan)on the injectability of a calcium phosphatecement.Bone,1999,25(2Suppl):31S.)。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于3D生物打印的可触变性磷酸镁基凝胶的制备方法,该制备方法的工艺简单、制备成本低;制备的可触变性磷酸镁基凝胶用作3D生物打印材料,其注射性和成型性好,具有优良的生物相容性,打印后的细胞活性高,能够更好的促进组织和器官的再生。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是,一种用于3D生物打印的可触变性磷酸镁基凝胶的制备方法,包括以下步骤:
(A)预处理:将磷酸溶于去离子水中配成浓度为1.0-2.0mol/L的磷酸液;将碱性物质溶于去离子水中配成浓度为1.0-2.0mol/L的碱溶液;
(B)凝胶前驱体溶液配制:将氧化镁(MgO)或镁盐加入到A步配置的磷酸液中,搅拌5-10min配制成磷酸与氧化镁(MgO)或镁盐的摩尔比为1.7-2.5:1的凝胶前驱体溶液;
(C)凝胶反应:将A步配置的碱溶液加入到B步的凝胶前驱体溶液中,其中碱性物质与氧化镁(MgO)或镁盐的摩尔比为2.5-3.5:1,加入后搅拌5-10min,然后静置反应2-3h,即得。
本发明的可触变性磷酸镁基凝胶的使用方法是:
将制备的可触变性磷酸镁基凝胶与细胞一起配置成生物打印“墨水”,然后将其放置在挤出式3D打印机浆料筒中,进行3D打印。打印后的支架模型,放置于细胞培养基中,然后在37℃,5%CO2培养箱中培养,经细胞生长、增殖后,最终形成可用于体内的再生组织或器官。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
一、本发明制备得到的磷酸镁基凝胶颗粒尺寸为5-50nm。带负电荷的磷酸根粒子和碱性物质中带有正电荷的阳离子,会分布于凝胶颗粒的表面,凝胶颗粒表面的这两种不同电荷相互吸引,形成可以长时间保持稳定的可触变性的凝胶结构。当对凝胶施加的应力大于颗粒间的静电力时,凝胶结构发生破坏(剪切稀化)变成溶胶,使其作为3D生物打印材料时,具有优异的注射性;打印所需的挤出力小,对细胞的损伤小、细胞的活性高,能够更好的促进组织和器官的再生。当应力去除后,颗粒间由于静电作用,重新恢复凝胶结构(触变性),且可以长时间地保持凝胶结构的稳定,使其作为3D生物打印材料时,具有优异的成型性。
实验证明,将本发明制得的磷酸镁基凝胶和细胞一起,利用挤出式3D生物打印机,打印成三维组织(器官)支架;打印的注射压力仅为0.1-0.5Mpa;打印过程流畅、无堵塞喷头和停机现象,打印出的三维支架,结构稳定,无坍塌现象,成型性优异,具有良好的形状保真度。
二、本发明的制备操作均在常温液态下进行,条件温和、工艺简单,原料为低廉的磷酸、碱性物质、氧化镁(MgO)或镁盐,制备成本低。制备中所使用的原料都不含有对细胞有损伤的有毒离子或有机溶剂,保证了制备的凝胶生物相容性良好,能够更好的促进组织和器官的再生。
进一步,本发明的步骤A的碱性物质为氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)或氢氧化锂(LiOH)。
以上三种物质都为常见的可溶性碱性物质,来源广泛,成本低廉,其电离的离子对细胞安全,无害。
进一步,本发明步骤B的镁盐为硫酸镁(MgSO4)、碳酸镁(MgCO3)或硝酸镁(Mg(NO3)2)。
以上几种镁盐都为常见的物质,来源广泛,成本低廉,其电离的镁离子对细胞安全,无害,且有促进新骨生成的功能,生物相容性高。
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。
具体实施方式
实施例1
一种用于3D生物打印的可触变性磷酸镁基凝胶的制备方法,包括以下步骤:
(A)预处理:将磷酸溶于去离子水中配成浓度为1.5mol/L的磷酸液;将氢氧化纳(NaOH)溶于去离子水中配成浓度为1.5mol/L的碱溶液;
(B)凝胶前驱体溶液配制:将氧化镁(MgO)加入到A步配置的磷酸液中,搅拌5min配制成磷酸与氧化镁的摩尔比为2:1的凝胶前驱体溶液;
(C)凝胶反应:将A步配置的碱溶液加入到B步的凝胶前驱体溶液中,其中氢氧化纳(NaOH)与氧化镁(MgO)的摩尔比为3:1,加入后搅拌5min,然后静置反应2h,即得。
实施例2
一种用于3D生物打印的可触变性磷酸镁基凝胶的制备方法,其步骤是:
(A)预处理:将磷酸溶于去离子水中配成浓度为1.0mol/L的磷酸液;将氢氧化钾(KOH)溶于去离子水中配成浓度为1.0mol/L的碱溶液;
(B)凝胶前驱体溶液配制:将硫酸镁加入到A步配置的磷酸液中,搅拌7min配制成磷酸与硫酸镁的摩尔比为2.5:1的凝胶前驱体溶液;
(C)凝胶反应:将A步配置的碱溶液加入到B步的凝胶前驱体溶液中,其中氢氧化钾(KOH)与硫酸镁的摩尔比为3.5:1,加入后搅拌10min,然后静置反应2.5h,即得。
实施例3
一种用于3D生物打印的可触变性磷酸镁基凝胶的制备方法,其步骤是:
(A)预处理:将磷酸溶于去离子水中配成浓度为2.0mol/L的磷酸液;将氢氧化锂(LiOH)溶于去离子水中配成浓度为2.0mol/L的碱溶液;
(B)凝胶前驱体溶液配制:将碳酸镁加入到A步配置的磷酸液中,搅拌10min配制成磷酸与碳酸镁的摩尔比为1.7:1的凝胶前驱体溶液;
(C)凝胶反应:将A步配置的碱溶液加入到B步的凝胶前驱体溶液中,其中氢氧化钾(KOH)与碳酸镁的摩尔比为2.5:1,加入后搅拌8min,然后静置反应3h,即得。
实施例4
一种用于3D生物打印的可触变性磷酸镁基凝胶的制备方法,其步骤是:
(A)预处理:将磷酸溶于去离子水中配成浓度为1.7mol/L的磷酸液;将氢氧化钠(NaOH)溶于去离子水中配成浓度为1.7mol/L的碱溶液;
(B)凝胶前驱体溶液配制:将硝酸镁加入到A步配置的磷酸液中,搅拌8min配制成磷酸与硝酸镁的摩尔比为2.2:1的凝胶前驱体溶液;
(C)凝胶反应:将A步配置的碱溶液加入到B步的凝胶前驱体溶液中,其中氢氧化钠(NaOH)与硝酸镁的摩尔比为2.8:1,加入后搅拌8min,然后静置反应2.8h,即得。

Claims (3)

1.一种用于3D生物打印的可触变性磷酸镁基凝胶的制备方法,包括以下步骤:
(A)预处理:将磷酸溶于去离子水中配成浓度为1.0-2.0mol/L的磷酸液;将碱性物质溶于去离子水中配成浓度为1.0-2.0mol/L的碱溶液;
(B)凝胶前驱体溶液配制:将氧化镁(MgO)或镁盐加入到A步配置的磷酸液中,搅拌5-10min配制成磷酸与氧化镁(MgO)或镁盐的摩尔比为1.7-2.5:1的凝胶前驱体溶液;
(C)凝胶反应:将A步配置的碱溶液加入到B步的凝胶前驱体溶液中,其中碱性物质与氧化镁(MgO)或镁盐的摩尔比为2.5-3.5:1,加入后搅拌5-10min,然后静置反应2-3h,即得。
2.根据权利要求1所述的一种用于3D生物打印的可触变性磷酸镁基凝胶的制备方法,其特征在于:所述步骤A步的碱性物质为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂。
3.根据权利要求1所述的一种用于3D生物打印的可触变性磷酸镁基凝胶的制备方法,其特征在于:所述步骤(B)步的镁盐为硫酸镁(MgSO4)、碳酸镁(MgCO3)或硝酸镁(Mg(NO3)2)。
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