CN108424533A - 一种3d打印生物医用水凝胶及其制备方法 - Google Patents

一种3d打印生物医用水凝胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种3D打印生物医用水凝胶，该水凝胶按100份的重量份数计的组成及各组分的重量份数为：κ‑卡拉胶4～10份、PVA（聚乙烯醇）10～15份，其余为去离子水。本发明还公开了该水凝胶的制备方法。本发明为纯粹的物理交联过程，没有残余的有害物质产生，而且材料本身具有良好的生物兼容性以及生物活性，适用于生物医学、组织工程等领域。本发明制备工艺简单，材料廉价，无需昂贵的成型设备。

Description

一种3D打印生物医用水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明属于生物医用水凝胶领域，涉及一种3D打印生物医用水凝胶及其制备方法。
背景技术
水凝胶作为一种高吸水高保水软湿材料，被广泛应用于多种领域。水凝胶的水含量可以调控、类似于机体组织的多孔结构、良好的营养物质渗透性以及本征模量的可调控性，使得其在生物医学领域具有更高的应用价值，目前在组织工程、机体修复、药物释放等方面引起了广泛关注和研究热潮。但是现在水凝胶用于组织工程支架的主要挑战在于水凝胶机械性能较差、不可控的溶胀以及不能定制宏观形状和结构等。这些不足严重限制了水凝胶的实际应用。
新兴的3D打印技术能够高效的制备出具有复杂结构的水凝胶组织工程支架，拓宽了水凝胶生物医学领域的应用，目前主要用于骨组织再生修复、组织培养等方面。国内外已经报道了一些关于3D打印水凝胶支架的研究成果，3D打印海藻酸钠水凝胶多孔结构支架（Biomacromolecules,2015,16,1489），高密度胶原蛋白水凝胶支架（ACS Biomater. Sci.Eng.,2016,2.1800 ），结构化和功能化的丝蛋白/明胶水凝胶支架（Acta Biomater.,2015,11,233），然而这些水凝胶组织工程支架体系缺乏足够的机械强度，长时间处于生理环境中水凝胶支架会发生不可控的溶胀过程，会进一步削弱水凝胶支架的机械强度。此外，目前很多3D打印水凝胶支架都会涉及到辅助手段或者后处理技术以提高凝胶的成型性能、机械性能以及生物兼容性。紫外光辅助成型、热场和光场后处理增强、高浓度金属离子增强等已被广泛应用，但是这些过程很容易产生一些残余单体或者反应副产物，影响水凝胶的生物兼容性。而且很多的3D打印水凝胶材料体系并不具有本征的生物活性，在完成打印后需要在水凝胶支架的表面接枝一层RGD肽，以提高水凝胶支架的细胞粘附性能，从而提高支架的生物活性。所以设计制备3D打印具有生物活性的水凝胶具有重要的意义。
机械性能和生物兼容性以及生物活性对于水凝胶支架的设计制备尤为重要，开发出一种满足生物力学性能和生物活性的3D打印水凝胶支架，成为将水凝胶拓展到实际生物医学领域的关键点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种3D打印生物医用水凝胶及其制备方法。
本发明所述体系的水凝胶墨水具有优异的剪切变稀性能和高的屈服应力，这使得水凝胶墨水能够顺利的从喷头挤出，挤出后能够在成型平台上保持良好的宏观结构特征，不会发生结构变形和塌陷，然后经过冷冻-解冻循环，增强水凝胶结构的强度。生物兼容性的本体材料和纯物理交联过程，没有残余的单体和有毒的反应副产物，使得最终获得的凝胶结构具有良好生物兼容性，适宜于生物医学领域应用。
一种3D打印生物医用水凝胶，其特征在于该水凝胶按100份的重量份数计的组成及各组分的重量份数为：κ-卡拉胶4-10份、PVA（聚乙烯醇）10-15份、其余为去离子水。
所述聚乙烯醇的重均分子量为50000～100000。
如上所述3D打印生物医用水凝胶的制备方法，其特征在于具体步骤为：
1）3D打印水凝胶墨水的制备：在90～100℃下将聚乙烯醇溶解于去离子水中，降温至70～80℃，加入κ-卡拉胶，机械搅拌混合均匀；停止加热，搅拌冷却至室温，获得3D打印水凝胶墨水；
2）3D打印水凝胶支架：采用DIW（墨水直写）打印技术，制备出具有特定结构的水凝胶支架；
3）循环冷冻后处理：将打印的水凝胶支架放入冷阱中冷冻结晶，然后在室温下解冻，重复上述过程得到高强度的水凝胶支架。
步骤1）中所述机械搅拌速度为500～1000转/分钟。
步骤2）在挤出成型过程中，不需要外场辅助，利用水凝胶墨水的流变学性能控制挤出成型，挤出设备为螺杆阀挤出，挤出流量为0.1～1mL/min，挤出喷头的移动速度为1～10mm/s。
步骤3）中循环冷冻过程中水凝胶支架置于-30～-40℃，处理12～24小时，然后在室温下解冻6～12小时。
步骤3）中循环冷冻过程重复5～10次。
和现有的3D打印生物医用水凝胶相比，具有以下优势：
（1）本发明所述的3D打印生物医用水凝胶，其原材料为κ-卡拉胶和PVA原材料本身具有良好的生物兼容性，κ-卡拉胶目前主要作为食品添加剂使用，而PVA则是被广泛使用的生物医用高分子材料。
（2）本发明所述的3D打印生物医用水凝胶，从水凝胶墨水的配制、DIW技术成型以及冷冻解冻循环后处理过程都是纯粹的物理过程，依次为：机械共混、挤出成型和冷冻结晶；不需要外场辅助成型或者高浓度金属离子交联。
（3）本发明所述的3D打印生物医用水凝胶，整个制备过程为物理过程，没有残余的有毒单体和反应副产物，制备好的水凝胶支架不需要额外后处理过程对有毒物质进行浸取。
（4）本发明所述的3D打印生物医用水凝胶，其原材料κ-卡拉胶分子链上具有磺酸基，类似于细胞外基质，能够较好的实现细胞在水凝胶支架表面的黏附。此外由于卡拉胶半乳聚糖的结构特性，具有抗氧化性、抗凝血以及抗炎等生物活性。
（5）本发明所述的3D打印生物医用水凝胶，制备方法简单，成本低廉，成型设备要求低。
附图说明
图1 为本发明3D打印制备的生物医用水凝胶支架。
具体实施方式
实施例1
设定总的水凝胶墨水的重量份数为100份，称取κ-卡拉胶4份，PVA10份，作为原材料，其余为去离子水。所述PVA的分子量为89000～90000。
所述PVA加入去离子水中持续机械搅拌，同时将混合物加热至90～100℃，直至PVA粉末完全溶解，获得均一透明的PVA溶液。
所述PVA溶液冷却至70～80℃并保温，加入κ-卡拉胶，继续机械搅拌，速率为500～1000转/分钟；待混合均匀持续搅拌冷却至室温，获得3D打印水凝胶墨水。
所述水凝胶墨水注入挤出打印机的料筒；挤出设备为螺杆阀挤出，挤出流量为0.1～1mL/min，挤出喷头的移动速度为1～10mm/s。根据结构设计要求调节好打印参数，利用计算机程序控制打印出设计的水凝胶支架。
所述的水凝胶支架在-40～-30℃冷阱中冷冻结晶，处理时间为12～24小时；然后将水凝胶支架放置室温环境，自然解冻，处理时间为6～12小时；该过程为一个冷冻解冻循环。整个后处理过程需要进行5～10次循环。
所述的冷冻解冻循环结束后获得具有任意结构设计的凝胶支架，宏观尺寸可调。
本发明制备的水凝胶支架如图1所示，但不限于制备类似结构，可以实现复杂的结构设计。该水凝胶具有良好的力学性能（0.3MPa）；稳定的溶胀行为，在完成溶胀过程后，基本不再发生尺寸的变化；优异的生物兼容性，细胞毒性测试为Ⅰ级，细胞存活率95%以上。相比于纯的PVA凝胶，κ-卡拉胶和PVA复配凝胶能够显著提高细胞的粘附性。

Claims (7)

1.一种3D打印生物医用水凝胶，其特征在于该水凝胶按100份的重量份数计的组成及各组分的重量份数为：κ-卡拉胶4-10份、PVA 10-15份、其余为去离子水。
2.如权利要求1所述的水凝胶，其特征在于所述聚乙烯醇的重均分子量为50000～100000。
3.如权利要求1或2所述3D打印生物医用水凝胶的制备方法，其特征在于具体步骤为：
1）3D打印水凝胶墨水的制备：在90～100℃将聚乙烯醇溶解于去离子水中，降温至70～80℃，加入κ-卡拉胶，机械搅拌混合均匀；停止加热，搅拌冷却至室温，获得3D打印水凝胶墨水；
2）3D打印水凝胶支架：采用DIW打印技术，制备出具有特定结构的水凝胶支架；
3）循环冷冻后处理：将打印的水凝胶支架放入冷阱中冷冻结晶，然后在室温下解冻，重复上述过程得到高强度的水凝胶支架。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤1）中所述机械搅拌速度为500～1000转/分钟。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤2）中的挤出设备为螺杆阀挤出，挤出流量为0.1～1mL/min，挤出喷头的移动速度为1～10mm/s。
6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤3）循环冷冻过程中水凝胶支架置于-30～-40℃，处理12～24小时，然后在室温解冻6～12小时。
7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤3）中循环冷冻过程重复5～10次。
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