CN109180988A - 一种功能化纳米纤维素水凝胶及其制备方法 - Google Patents

一种功能化纳米纤维素水凝胶及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109180988A
CN109180988A CN201810982646.2A CN201810982646A CN109180988A CN 109180988 A CN109180988 A CN 109180988A CN 201810982646 A CN201810982646 A CN 201810982646A CN 109180988 A CN109180988 A CN 109180988A
Authority
CN
China
Prior art keywords
nano
cellulose
tempo
dispersion liquid
hydrogel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810982646.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109180988B (zh
Inventor
石竹群
徐海宇
杨全岭
刘妍
熊传溪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University of Technology WUT
Original Assignee
Wuhan University of Technology WUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University of Technology WUT filed Critical Wuhan University of Technology WUT
Priority to CN201810982646.2A priority Critical patent/CN109180988B/zh
Publication of CN109180988A publication Critical patent/CN109180988A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109180988B publication Critical patent/CN109180988B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J9/00—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/20—Polysaccharides
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/36—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix
    • A61L27/38—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix containing added animal cells
    • A61L27/3804—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix containing added animal cells characterised by specific cells or progenitors thereof, e.g. fibroblasts, connective tissue cells, kidney cells
    • A61L27/3834—Cells able to produce different cell types, e.g. hematopoietic stem cells, mesenchymal stem cells, marrow stromal cells, embryonic stem cells
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/52—Hydrogels or hydrocolloids
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/56—Porous materials, e.g. foams or sponges
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/02—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques
    • C08J3/03—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques in aqueous media
    • C08J3/075—Macromolecular gels
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/24—Crosslinking, e.g. vulcanising, of macromolecules
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2301/00—Characterised by the use of cellulose, modified cellulose or cellulose derivatives
    • C08J2301/04—Oxycellulose; Hydrocellulose

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Developmental Biology & Embryology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Botany (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Polysaccharides And Polysaccharide Derivatives (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

本发明涉及一种功能化纳米纤维素水凝胶及其制备方法，所述水凝胶内部呈现均匀的多孔网状结构，其孔径为30～100微米，由TEMPO氧化纤维素分散于水中制得纳米纤维素分散液，再与细胞混合制得生物墨水，然后利用3D生物打印技术打印到离子交联剂中制备得到，其形状可根据需要进行设计。本发明以可再生资源纤维素为原料，制备得到力学性能优异、生物相容性良好、适用于生物打印的功能化纳米纤维素水凝胶，用作纳米纤维素基组织工程材料，具体为骨、软骨、皮肤、血管、肝脏、心脏等组织中的一种，拓宽了纤维素的应用范围，为纤维素在生物医用领域的应用研究提供了一种新途径。

Description

一种功能化纳米纤维素水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明属于生物材料领域，涉及一种功能化纳米纤维素水凝胶及其制备方法。
背景技术
3D生物打印技术是使用计算机辅助转移过程，用预定的逐层堆叠方式同时书写活细胞和生物材料制备生物工程组织的方法。3D生物打印技术以水分散液和细胞为主要原料，产物主要形态为水凝胶，对水凝胶有诸多的要求，如生物相容性好，且不堵塞针头，易于打印，同时打印过程中的剪切作用力对细胞的损害小，因而能用于3D生物打印的水凝胶并不多。
纤维素作为一种具有结晶结构的多糖，是地球上含量最丰富的天然高分子，由纤维素加工得到的纤维素水凝胶因具有生物相容性好、比表面积较大、含水量高、力学性能优异等特点，是一种理想的组织工程材料。当前制备纤维素水凝胶的方法主要有化学交联、光交联、物理缠结等。这些方法要么需要引入具有生物毒性的化学交联剂，要么需要对纤维素进行改性，要么条件比较苛刻(如加热或冷冻)，不利于直接与细胞进行混合，且通常所制备的水凝胶具有纳米孔结构，细胞只能在凝胶表面生长，在凝胶内部细胞不能生长迁移。因此本领域相关学者正在寻求一种交联方式温和、容易加载细胞、且具有大孔结构的纤维素水凝胶的制备方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种孔径大小适中、力学性能优异、生物相容性良好的功能化纳米纤维素水凝胶及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种功能化纳米纤维素水凝胶，水凝胶内部呈现均匀的多孔网状结构，其孔径为30～100微米，所述功能化纳米纤维素水凝胶由TEMPO氧化纤维素分散于水中制得纳米纤维素分散液，再与细胞混合制得生物墨水，然后利用3D生物打印技术打印到离子交联剂中制备得到设计形状的凝胶。
按上述方案，所述功能化纳米纤维素水凝胶由TEMPO氧化纤维素分散于水中制得纳米纤维素分散液，再与细胞混合制得生物墨水，然后利用3D生物打印技术打印到离子交联剂中制备得到设计形状的凝胶，最后将凝胶置于含培养基的培养皿中进行细胞培养得到。
按上述方案，水凝胶在细胞培养前需进行灭菌处理，灭菌条件为：在121℃的灭菌锅中加热30分钟。
按上述方案，所述TEMPO氧化纤维素直径为2～10nm，平均长度为200nm～5μm，表面羧基含量为0.2～2.0mmol/g。
按上述方案，所述TEMPO氧化纤维素的制备方法为：将TEMPO与NaBr按质量比1：1～10加入水中混合溶解，然后加入天然纤维素和NaClO，并调节体系pH值为8～12，进行氧化反应后加入NaClO2氧化1～5天或加入硼氢化钠(NaBH4)还原0.5～10h，再后处理得到TEMPO氧化纤维素(TOC)。
按上述方案，所述天然纤维素为长度为1μm～10mm的棉短绒、木浆、亚麻纤维、秸秆纤维。
按上述方案，TEMPO在水中的质量浓度为0.01～0.1％。
按上述方案，加入天然纤维素和NaClO，其质量比TEMPO：天然纤维素：NaClO＝1：10～100：10～100。
优选的是，所述氧化反应条件为：在10～30℃下反应0.5～7h。
按上述方案，质量比TEMPO：NaClO2＝1：10～100。
按上述方案，质量比TEMPO：NaBH4＝1：10～100。
按上述方案，所述后处理包括洗涤、过滤、干燥处理。
优选的是，所述纳米纤维素分散液浓度为0.1～1.2wt％。
优选的是，所述生物墨水中细胞浓度104～108个/毫升。
优选的是，所述细胞为干细胞、成纤维细胞、血管内皮细胞、肝细胞中的一种或几种。
按上述方案，所述离子交联剂为M2+Cl2或M3+Cl3的水溶液，其中M2+选自Mg2+、Ca2+、Zn2+中的一种，M3+选自Al3+或Fe3+；离子交联剂浓度为0.1～2mol/L。本发明使用M2+Cl2或M3+Cl3作为离子交联剂，具有无毒、温和、快速、对细胞损伤小等优点，制备出的水凝胶细胞相容性好。
本发明还提供上述功能化纳米纤维素水凝胶的制备方法，其步骤如下：将TEMPO氧化纤维素分散于水中得到纳米纤维素分散液(TOCN)，再将纳米纤维素分散液与细胞混合制得生物墨水，然后利用3D生物打印技术打印到离子交联剂中制备得到设计形状的凝胶。
本发明还提供上述功能化纳米纤维素水凝胶的制备方法，其步骤如下：将TEMPO氧化纤维素分散于水中得到纳米纤维素分散液(TOCN)，再将纳米纤维素分散液与细胞混合制得生物墨水，然后利用3D生物打印技术打印到离子交联剂中制备得到设计形状的凝胶，最后将凝胶置于含培养基的培养皿中进行细胞培养得到功能化纳米纤维素水凝胶。
按上述方案，所述将TEMPO氧化纤维素分散于水中得到纳米纤维素分散液的分散方式为机械搅拌、超声处理、高速研磨、高压均相或高速水击。
按上述方案，所述3D生物打印技术包括采用喷墨式打印机、挤出式打印机或激光打印机进行打印，打印温度为20～40℃。
本发明还包括根据上述功能化纳米纤维素水凝胶制备得到的纳米纤维素基组织工程材料，具体为骨、软骨、皮肤、血管、肝脏、心脏等组织中的一种。
本发明将TEMPO氧化纤维素分散于水中得到的纳米纤维素分散液与细胞混合制得生物墨水，然后利用3D生物打印技术打印到离子交联剂中制备得到设计形状的凝胶，该纳米纤维素表面含有大量的羧基，由于羧基之间的静电斥力作用使其均匀分散于水中，并且可与Mg2+、Ca2+等细胞毒性很弱的阳离子形成离子键，在室温下即可快速交联形成凝胶，且所制备的凝胶具有多孔的三维网状结构(具有100微米左右的大孔)，含水量高，比表面积大，且无毒、生物相容性好，类似于细胞外基质，有利于细胞(20微米)的生长迁移，因此可用于细胞的三维培养。
本发明的有益效果在于：1、本发明以可再生资源纤维素为原料，制备得到力学性能优异、生物相容性良好、适用于生物打印的功能化纳米纤维素水凝胶(水凝胶内部呈现均匀的多孔网状结构，其孔径大约为30-100微米左右，其能承受湿重100倍以上的压力)，用作纳米纤维素基组织工程材料，具体为骨、软骨、皮肤、血管、肝脏、心脏等组织中的一种，拓宽了纤维素的应用范围，为纤维素在生物医用领域的应用研究提供了一种新途径；2、本发明基于纤维素纳米纤维分散液细胞相容性好、具有剪切变稀的特点、且在离子溶液中具有快速交联的能力，以纳米纤维素分散液与细胞等作为生物墨水，采用新型的3D生物打印技术，在离子交联剂中打印出对细胞损害较小、有利于细胞活性保持的水凝胶，且水凝胶的形状可根据需要进行形状设计，方法简便灵活，在组织工程领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的凝胶的扫描电镜图；
图2为实施例1所制备的凝胶的荧光显微镜图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种用于3D生物打印的功能化纳米纤维素水凝胶，制备方法如下：
1)将0.01g TEMPO和0.1g NaBr加入100mL去离子水中，在10℃、300r/min下磁力搅拌10min使TEMPO和NaBr完全溶解，再向上述体系中加入1g的棉短绒(长度2～3mm)和1gNaClO，通过滴加0.1mol/L的NaOH溶液调节体系pH值为8，在10℃下反应3h后，继续加入1gNaClO2室温搅拌反应1天，将氧化后的纤维素浆进行过滤，再用去离子水洗涤3次以上，干燥得到TEMPO氧化纤维素(TOC)，通过加入NaClO2进行追酸化把未完全氧化的醛基氧化成羧酸根，有利于纳米纤维更好的分散；
2)配制TOCN分散液：将0.1g TOC加入到99.9g蒸馏水中在1600r/min转速下机械搅拌10min得到0.1wt％的TOCN分散液；
3)制备纳米纤维素凝胶：对制备出的TOCN分散液进行湿热灭菌，在121℃的灭菌锅中加热30分钟，然后在无菌环境中将上述浓度为0.1％的TOCN分散液与干细胞混合作为生物墨水，生物墨水中干细胞浓度为106个/毫升，利用3D挤出式打印机在20℃下打印，生物墨水从打印机的针头中挤出，针头下方放置的培养皿中有0.2mol/L的CaCl2溶液，从针头喷出的生物墨水接触到交联剂CaCl2溶液后立即成胶，得到耳郭形状的凝胶，再放入含有DMEM培养基的培养皿中，在5％CO2的孵化箱里进行细胞培养。
利用DI Nanoscope IV原子力显微镜观察本实施例制备的TEMPO氧化纤维素，TEMPO氧化纤维素在水中呈单分散的状态，TEMPO氧化纤维素直径约为3nm，长度为3～5微米，表面羧基含量为1.0mmol/g。利用Hitachi S-4800扫描电子显微镜观察由液氮脆断的TOCN水凝胶断面，扫描电镜图如图1所示，可见水凝胶内部呈现均匀的多孔网状结构，其孔径大约为100微米左右。通过压力承受测试纳米纤维素水凝胶的力学性能，其能承受其湿重100倍左右的压力。本实施例制备的含有细胞的TOCN凝胶培养24h后，利用Live/Dead荧光染色，用OLYMPUS IX73倒置荧光显微镜观察，Live/Dead荧光染色图片(绿色为活细胞)如图2所示，可以观察到死细胞较少，细胞活性高。
实施例2
一种用于3D生物打印的功能化纳米纤维素水凝胶，制备方法如下：
1)将0.1g TEMPO和0.1g NaBr加入100mL去离子水中，在10℃、300r/min下磁力搅拌10min使TEMPO和NaBr完全溶解，再向上述体系中加入1g棉短绒(长度2～3mm)和1gNaClO，通过滴加0.1mol/L的NaOH溶液调节体系pH值为8，在10℃下反应4h后，继续加入1gNaClO2室温搅拌反应1天，将氧化后的纤维素浆进行过滤，再用去离子水洗涤3次以上，干燥得到TEMPO氧化纤维素(TOC)；
2)配制TOCN分散液：将0.1g TOC加入到99.9g蒸馏水中在1600r/min转速下机械搅拌10min得到0.1wt％的TOCN分散液；
3)制备纳米纤维素凝胶：将上述TOCN分散液浓缩至浓度为0.2％，在121℃的灭菌锅中加热30分钟，然后在无菌环境中将浓度为0.2％的TOCN分散液与干细胞混合作为生物墨水，生物墨水中干细胞浓度为106个/毫升，利用3D挤出式打印机在40℃下打印，生物墨水从打印机的针头中挤出，针头下方放置的培养皿中有0.2mol/L的CaCl2溶液，从针头喷出的生物墨水接触到交联剂CaCl2溶液后立即成胶，得到耳郭形状的凝胶，再放入含有DMEM培养基的培养皿中，在5％CO2的孵化箱里进行细胞培养。
利用DI Nanoscope IV原子力显微镜观察本实施例制备的TEMPO氧化纤维素，TEMPO氧化纤维素在水中呈单分散的状态，TEMPO氧化纤维素直径约为3nm，长度为3～5微米，表面羧基含量1.0mmol/g。利用Hitachi S-4800扫描电子显微镜观察由液氮脆断的TOCN水凝胶断面，可见水凝胶内部呈现均匀的多孔网状结构，其孔径大约为90微米左右。通过压力承受测试纳米纤维素水凝胶的力学性能，其能承受其湿重105倍左右的压力。本实施例制备的含有细胞的TOCN凝胶培养24h后，利用Live/Dead荧光染色，用OLYMPUS IX73倒置荧光显微镜观察，Live/Dead荧光染色图片(绿色为活细胞)，可以观察到死细胞较少，细胞活性高。
实施例3
一种3D生物打印的纳米纤维素凝胶，可通过如下方法制备得到：
1)将0.01g TEMPO和0.1g NaBr加入100mL去离子水中，在10℃、300r/min下磁力搅拌10min使TEMPO和NaBr完全溶解，再向上述体系中加入1g棉短绒(长度2-3mm)和0.5gNaClO，通过滴加0.1mol/L的NaOH溶液调节体系pH值为8，在10℃下反应3h后，继续加入0.5gNaClO2室温搅拌反应1天，将氧化后的纤维素浆进行过滤，再用去离子水洗涤3次以上，干燥得到TEMPO氧化纤维素(TOC)；
2)配制TOCN分散液：将0.1g TOC加入到99.9g蒸馏水中在1600r/min转速下机械搅拌10min得到0.1wt％的TOCN分散液；
3)制备纳米纤维素凝胶：将上述TOCN分散液浓缩至0.5％，在121℃的灭菌锅中加热30分钟，然后在无菌环境中将浓度为0.5％的纳米纤维素溶液与干细胞混合作为生物墨水，生物墨水中干细胞浓度为106个/毫升，利用3D挤出式打印机打印，0.2mol/L的CaCl2溶液进行离子交联，得到耳郭形状的凝胶，置于含有DMEM培养基的培养皿中，在5％CO2的孵化箱里进行细胞培养。
利用DI Nanoscope IV原子力显微镜观察，纳米纤维素在水中呈单分散的状态，纤维素纳米纤维直径约为3nm左右，长度为1～3微米。利用Hitachi S-4800扫描电子显微镜观察由液氮脆断的TOCN水凝胶断面，水凝胶内部呈现均匀的多孔网状结构，其孔径约为80微米左右。通过压力承受测试纳米纤维素水凝胶的力学性能，即其能承受其湿重110倍左右的压力。利用Live/Dead染色，OLYMPUS IX73倒置荧光显微镜观察，死细胞较少，细胞活性高。
实施例4
一种3D生物打印的纳米纤维素凝胶，可通过如下方法制备得到：
1)将0.01g TEMPO和0.1g NaBr加入100mL去离子水中，在10℃、300r/min下磁力搅拌10min使TEMPO和NaBr完全溶解，再向上述体系中加入1g木浆(长度0.8-3.5mm)和0.5gNaClO，通过滴加0.1mol/L的NaOH溶液调节体系pH值为10，在10℃下反应5h后，继续加入0.5g NaClO2室温搅拌反应2天，将氧化后的纤维素浆进行过滤，再用去离子水洗涤3次以上，干燥得到TEMPO氧化纤维素纳米纤维(TOC)；
2)配制TOCN分散液：将0.1g TOC加入到99.9g蒸馏水中在1600r/min转速下机械搅拌10min得到0.1wt％的TOCN分散液；
3)制备纳米纤维素凝胶：将上述TOCN分散液浓缩至0.5％，在121℃的灭菌锅中加热30分钟，然后在无菌环境中将浓度为0.5％的TOCN分散液与干细胞混合作为生物墨水，生物墨水中干细胞浓度为106个/毫升，利用3D挤出式打印机打印，0.2mol/L的CaCl2溶液进行离子交联，得到耳郭形状的凝胶，置于含有DMEM培养基的培养皿中，在5％CO2的孵化箱里进行细胞培养。
利用DI Nanoscope IV原子力显微镜观察，纳米纤维素在水中呈单分散的状态，纤维素纳米纤维直径约为3nm左右，长度为1～3微米。利用Hitachi S-4800扫描电子显微镜观察由液氮脆断的TOCN水凝胶断面，水凝胶内部呈现均匀的多孔网状结构，其孔径约为80微米左右。通过压力承受测试纳米纤维素水凝胶的力学性能，即其能承受其湿重110倍左右的压力。利用Live/Dead染色，OLYMPUS IX73倒置荧光显微镜观察，死细胞较少，细胞活性高。
实施例5
一种3D生物打印的纳米纤维素凝胶，可通过如下方法制备得到：
1)将0.01g TEMPO和0.1g NaBr加入100mL去离子水中，在10℃、300r/min下磁力搅拌10min使TEMPO和NaBr完全溶解，再向上述体系中加入1g木浆(长度0.8-3.5mm)和1.0gNaClO，通过滴加0.5mol/L的NaOH溶液调节体系pH值为12，在10℃下反应3h后，继续加入0.5g NaClO2室温搅拌反应2天，将氧化后的纤维素浆进行过滤，再用去离子水洗涤3次以上，干燥得到TEMPO氧化纤维素(TOC)；
2)配制TOCN分散液：将0.1g TOC加入到99.9g蒸馏水中在1600r/min转速下机械搅拌10min得到0.1wt％的TOCN分散液；
3)制备纳米纤维素凝胶：将上述TOCN分散液浓缩至0.5％，在121℃的灭菌锅中加热30分钟，然后在无菌环境中将浓度为0.5％的TOCN分散液与干细胞混合作为生物墨水，生物墨水中干细胞浓度为106个/毫升，利用3D挤出式打印机打印，0.2mol/L的CaCl2溶液进行离子交联，得到耳郭形状的凝胶，置于含有DMEM培养基的培养皿中，在5％CO2的孵化箱里进行细胞培养。
利用DI Nanoscope IV原子力显微镜观察，纳米纤维素在水中呈单分散的状态，纤维素纳米纤维直径约为3nm左右，长度为1～3微米。利用Hitachi S-4800扫描电子显微镜观察由液氮脆断的TOCN水凝胶断面，水凝胶内部呈现均匀的多孔网状结构，其孔径约为80微米左右。通过压力承受测试纳米纤维素水凝胶的力学性能，即其能承受其湿重110倍左右的压力。利用Live/Dead染色，OLYMPUS IX73倒置荧光显微镜观察，死细胞较少，细胞活性高。
实施例6
一种3D生物打印的纳米纤维素凝胶，可通过如下方法制备得到：
1)将0.01g TEMPO和0.1g NaBr加入100mL去离子水中，在10℃、300r/min下磁力搅拌10min使TEMPO和NaBr完全溶解，再向上述体系中加入1g木浆(长度0.8-3.5mm)和1.0gNaClO，通过滴加0.5mol/L的NaOH溶液调节体系pH值为12，在10℃下反应3h后，继续加入0.5g NaClO2室温搅拌反应2天，将氧化后的纤维素浆进行过滤，再用去离子水洗涤3次以上，干燥得到TEMPO氧化纤维素(TOC)；
2)配制TOCN分散液：将0.1g TOC加入到99.9g蒸馏水中在1600r/min转速下机械搅拌10min得到0.1wt％的TOCN分散液；
3)制备纳米纤维素凝胶：将上述TOCN分散液浓缩至1.2％，在121℃的灭菌锅中加热30分钟，然后在无菌环境中将浓度为1.2％的TOCN分散液与干细胞混合作为生物墨水，生物墨水中干细胞浓度为106个/毫升，利用3D挤出式打印机打印，0.6mol/L的CaCl2溶液进行离子交联，得到耳郭形状的凝胶，置于含有DMEM培养基的培养皿中，在5％CO2的孵化箱里进行细胞培养。
利用DI Nanoscope IV原子力显微镜观察，纳米纤维素在水中呈单分散的状态，纤维素纳米纤维直径约为3nm左右，长度为1～3微米。利用Hitachi S-4800扫描电子显微镜观察由液氮脆断的TOCN水凝胶断面，水凝胶内部呈现均匀的多孔网状结构，其孔径约为60微米左右。通过压力承受测试纳米纤维素水凝胶的力学性能，即其能承受其湿重120倍左右的压力。利用Live/Dead染色，OLYMPUS IX73倒置荧光显微镜观察，死细胞较少，细胞活性高。
实施例7
一种3D生物打印的纳米纤维素凝胶，可通过如下方法制备得到：
1)将0.1g TEMPO和0.1g NaBr加入100mL去离子水中，在10℃、300r/min下磁力搅拌10min使TEMPO和NaBr完全溶解，再向上述体系中加入1g木浆(长度0.8-3.5mm)和1.0gNaClO，通过滴加0.5mol/L的NaOH溶液调节体系pH值为12，在10℃下反应3h后，加入1gNaBH4室温搅拌反应0.5h，过滤，再用去离子水洗涤3次以上，干燥得到TEMPO氧化纤维素(TOC)；
2)配制TOCN分散液：将0.1g TOC加入到99.9g蒸馏水中在1600r/min转速下机械搅拌10min得到0.1wt％的TOCN分散液；
3)制备纳米纤维素凝胶：将上述制备的TOCN分散液在121℃的灭菌锅中加热30分钟，然后在无菌环境中将上述浓度为0.1％的TOCN分散液与干细胞混合作为生物墨水，生物墨水中干细胞浓度为106个/毫升，利用3D挤出式打印机在20℃下打印，生物墨水从打印机的针头中挤出，针头下方放置的培养皿中有0.2mol/L的CaCl2溶液，从针头喷出的生物墨水接触到交联剂CaCl2溶液后立即成胶，得到耳郭形状的凝胶，再放入含有DMEM培养基的培养皿中，在5％CO2的孵化箱里进行细胞培养。本实施例制备过程中通过加入NaBH4进行还原，将未完全氧化的醛基充分还原为羟基，所制备的水凝胶分散性良好，并且具有良好的高温稳定性，在灭菌过程中不发生黄变现象。
利用DI Nanoscope IV原子力显微镜观察，纳米纤维素在水中呈单分散的状态，纤维素纳米纤维直径约为3nm左右，长度为1～3微米。利用Hitachi S-4800扫描电子显微镜观察由液氮脆断的TOCN水凝胶断面，水凝胶内部呈现均匀的多孔网状结构，其孔径约为100微米左右。通过压力承受测试纳米纤维素水凝胶的力学性能，即其能承受其湿重100倍左右的压力。利用Live/Dead染色，OLYMPUS IX73倒置荧光显微镜观察，死细胞较少，细胞活性高。
实施例8
一种3D生物打印的纳米纤维素凝胶，可通过如下方法制备得到：
1)将0.01g TEMPO和0.1g NaBr加入100mL去离子水中，在10℃、300r/min下磁力搅拌10min使TEMPO和NaBr完全溶解，再向上述体系中加入1g木浆(长度0.8-3.5mm)和1.0gNaClO，通过滴加0.5mol/L的NaOH溶液调节体系pH值为11，在10℃下反应3h后，加入1gNaBH4室温搅拌反应3h，过滤，再用去离子水洗涤3次以上，干燥得到TEMPO氧纤维素(TOC)；
2)配制TOCN分散液：将0.1g TOC加入到99.9g蒸馏水中在1600r/min转速下机械搅拌10min得到0.1wt％的TOCN分散液；
3)制备纳米纤维素凝胶：将上述TOCN分散液浓缩至浓度为0.5％，在121℃的灭菌锅中加热30分钟，然后在无菌环境中将浓度为0.5％的TOCN分散液与干细胞混合作为生物墨水，生物墨水中干细胞浓度为106个/毫升，利用3D挤出式打印机在40℃下打印，生物墨水从打印机的针头中挤出，针头下方放置的培养皿中有1.0mol/L的CaCl2溶液，从针头喷出的生物墨水接触到交联剂CaCl2溶液后立即成胶，得到耳郭形状的凝胶，再放入含有DMEM培养基的培养皿中，在5％CO2的孵化箱里进行细胞培养。
利用DI Nanoscope IV原子力显微镜观察，纳米纤维素在水中呈单分散的状态，纤维素纳米纤维直径约为3nm左右，长度为1～3微米。利用Hitachi S-4800扫描电子显微镜观察由液氮脆断的TOCN水凝胶断面，水凝胶内部呈现均匀的多孔网状结构，其孔径约为80微米左右。通过压力承受测试纳米纤维素水凝胶的力学性能，即其能承受其湿重110倍左右压力。利用Live/Dead染色，OLYMPUS IX73倒置荧光显微镜观察，死细胞较少，细胞活性高。
实施例9
一种3D生物打印的纳米纤维素凝胶，可通过如下方法制备得到：
1)将0.01g TEMPO和0.1g NaBr加入100mL去离子水中，在10℃、300r/min下磁力搅拌10min使TEMPO和NaBr完全溶解，再向上述体系中加入1g木浆(长度0.8-3.5mm)和1.0gNaClO，通过滴加0.5mol/L的NaOH溶液调节体系pH值为8，在10℃下反应3h后，加入0.1gNaBH4室温搅拌反应5h，过滤，再用去离子水洗涤3次以上，干燥得到TEMPO氧化纤维素(TOC)；
2)配制TOCN分散液：将0.1g TOC加入到99.9g蒸馏水中在1600r/min转速下机械搅拌10min得到0.1wt％的TOCN分散液；
3)制备纳米纤维素凝胶：将上述TOCN分散液浓缩至浓度为1.2％，在121℃的灭菌锅中加热30分钟，然后在无菌环境中将浓度为0.5％的TOCN分散液与干细胞混合作为生物墨水，生物墨水中干细胞浓度为106个/毫升，利用3D挤出式打印机在20℃下打印，生物墨水从打印机的针头中挤出，针头下方放置的培养皿中有1.0mol/L的CaCl2溶液，从针头喷出的生物墨水接触到交联剂CaCl2溶液后立即成胶，得到耳郭形状的凝胶，再放入含有DMEM培养基的培养皿中，在5％CO2的孵化箱里进行细胞培养。
利用DI Nanoscope IV原子力显微镜观察，纳米纤维素在水中呈单分散的状态，纤维素纳米纤维直径约为3nm左右，长度为1～3微米。利用Hitachi S-4800扫描电子显微镜观察由液氮脆断的TOCN水凝胶断面，水凝胶内部呈现均匀的多孔网状结构，其孔径约为60微米左右。通过压力承受测试纳米纤维素水凝胶的力学性能，即其能承受其湿重120倍左右的压力。利用Live/Dead染色，OLYMPUS IX73倒置荧光显微镜观察，死细胞较少，细胞活性高。

Claims (10)

1.一种功能化纳米纤维素水凝胶，其特征在于，所述水凝胶内部呈现均匀的多孔网状结构，其孔径为30～100微米，所述功能化纳米纤维素水凝胶由TEMPO氧化纤维素分散于水中制得纳米纤维素分散液，再与细胞混合制得生物墨水，然后利用3D生物打印技术打印到离子交联剂中制备得到设计形状的凝胶。
2.一种功能化纳米纤维素水凝胶，其特征在于，所述功能化纳米纤维素水凝胶由TEMPO氧化纤维素分散于水中制得纳米纤维素分散液，再与细胞混合制得生物墨水，然后利用3D生物打印技术打印到离子交联剂中制备得到设计形状的凝胶，最后将凝胶置于含培养基的培养皿中进行细胞培养得到。
3.根据权利要求1或2所述的功能化纳米纤维素水凝胶，其特征在于，所述TEMPO氧化纤维素直径为2～10nm，平均长度为200nm～5μm，表面羧基含量为0.2～2.0mmol/g；
其制备方法为：将TEMPO与NaBr按质量比1：1～10加入水中混合溶解，然后加入天然纤维素和NaClO，并调节体系pH值为8～12，进行氧化反应后加入NaClO2氧化1～5天或加入NaBH4还原0.5～10h，再后处理得到TEMPO氧化纤维素。
4.根据权利要求3所述的功能化纳米纤维素水凝胶，其特征在于，所述天然纤维素为长度为1μm～10mm的棉短绒、木浆、亚麻纤维、秸秆纤维；TEMPO在水中的质量浓度为0.01～0.1％；加入天然纤维素和NaClO，其质量比TEMPO：天然纤维素：NaClO＝1：10～100：10～100。
5.根据权利要求3所述的功能化纳米纤维素水凝胶，其特征在于，所述氧化反应条件为：在10～30℃下反应0.5～7h；质量比TEMPO：NaClO2＝1：10～100；质量比TEMPO：NaBH4＝1：10～100。
6.根据权利要求1或2所述的功能化纳米纤维素水凝胶，其特征在于，所述纳米纤维素分散液浓度为0.1～1.2wt％；所述生物墨水中细胞浓度104～108个/毫升；所述离子交联剂为M2+Cl2或M3+Cl3的水溶液，其中M2+选自Mg2+、Ca2+、Zn2+中的一种，M3+选自Al3+或Fe3+；离子交联剂浓度为0.1～2mol/L。
7.根据权利要求1或2所述的功能化纳米纤维素水凝胶，其特征在于，所述3D生物打印技术包括采用喷墨式打印机、挤出式打印机或激光打印机进行打印，打印温度为20～40℃。
8.一种权利要求1所述的功能化纳米纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于，其步骤如下：将TEMPO氧化纤维素分散于水中得到纳米纤维素分散液，再将纳米纤维素分散液与细胞混合制得生物墨水，然后利用3D生物打印技术打印到离子交联剂中制备得到设计形状的凝胶。
9.一种权利要求2所述的功能化纳米纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于，其步骤如下：将TEMPO氧化纤维素分散于水中得到纳米纤维素分散液，再将纳米纤维素分散液与细胞混合制得生物墨水，然后利用3D生物打印技术打印到离子交联剂中制备得到设计形状的凝胶，最后将凝胶置于含培养基的培养皿中进行细胞培养得到功能化纳米纤维素水凝胶。
10.一种根据权利要求1或2所述的功能化纳米纤维素水凝胶制备得到的纳米纤维素基组织工程材料，其特征在于包括骨、软骨、皮肤、血管、肝脏、心脏组织中的一种。
CN201810982646.2A 2018-08-27 2018-08-27 一种功能化纳米纤维素水凝胶及其制备方法 Active CN109180988B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810982646.2A CN109180988B (zh) 2018-08-27 2018-08-27 一种功能化纳米纤维素水凝胶及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810982646.2A CN109180988B (zh) 2018-08-27 2018-08-27 一种功能化纳米纤维素水凝胶及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109180988A true CN109180988A (zh) 2019-01-11
CN109180988B CN109180988B (zh) 2021-07-30

Family

ID=64916107

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810982646.2A Active CN109180988B (zh) 2018-08-27 2018-08-27 一种功能化纳米纤维素水凝胶及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109180988B (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109893679A (zh) * 2019-03-01 2019-06-18 江西省科学院应用物理研究所 一种采用生物墨水的细胞组织的3d打印方法
CN112138215A (zh) * 2020-09-26 2020-12-29 江苏大学 基于纳米纤维素的细胞生长因子缓释各向异性支架构建方法和应用
CN112194800A (zh) * 2020-08-21 2021-01-08 大连芯鸿生物科技有限公司 一种4d打印智能水凝胶的制备、打印方法及其应用
CN112194801A (zh) * 2020-09-02 2021-01-08 中国农业大学 一种具有生物相容性的多糖基3d打印凝胶的制备及应用
WO2021154250A1 (en) * 2020-01-30 2021-08-05 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Hydrogel three-dimensional printing
CN114026223A (zh) * 2019-06-24 2022-02-08 芬欧汇川集团 包含位于纳米原纤纤维素水凝胶中的真核细胞的可移植细胞组合物、其制备方法和纳米原纤纤维素的用途
CN114163693A (zh) * 2021-12-07 2022-03-11 南京大学 一种用于3d打印的天然植物纤维及其打印方法
CN115429934A (zh) * 2022-09-20 2022-12-06 东华大学 一种3d打印应变传感组织工程支架及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2679669A1 (en) * 2012-06-26 2014-01-01 ETH Zurich Fabrication of three-dimensional hydrogel objects
CN107998449A (zh) * 2017-12-15 2018-05-08 杭州捷诺飞生物科技股份有限公司 一种3d打印高强度生物墨水材料

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2679669A1 (en) * 2012-06-26 2014-01-01 ETH Zurich Fabrication of three-dimensional hydrogel objects
CN107998449A (zh) * 2017-12-15 2018-05-08 杭州捷诺飞生物科技股份有限公司 一种3d打印高强度生物墨水材料

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MARKSTEDT K., ET AL.: ""3D Bioprinting Human Chondrocytes with Nanocellulose-Alginate Bioink for Cartilage Tissue Engineering Applications"", 《BIOMACROMOLECULES》 *
REES A., ET AL.: ""3D Bioprinting of Carboxymethylated-Periodate Oxidized Nanocellulose Constructs for Wound Dressing Applicaitons"", 《BIOMED RESEARCH INTERNATIONAL》 *
戴磊等: ""TEMPO氧化纤维素纳米纤维的制备及应用研究进展"", 《材料工程》 *

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109893679A (zh) * 2019-03-01 2019-06-18 江西省科学院应用物理研究所 一种采用生物墨水的细胞组织的3d打印方法
CN114026223A (zh) * 2019-06-24 2022-02-08 芬欧汇川集团 包含位于纳米原纤纤维素水凝胶中的真核细胞的可移植细胞组合物、其制备方法和纳米原纤纤维素的用途
WO2021154250A1 (en) * 2020-01-30 2021-08-05 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Hydrogel three-dimensional printing
CN112194800A (zh) * 2020-08-21 2021-01-08 大连芯鸿生物科技有限公司 一种4d打印智能水凝胶的制备、打印方法及其应用
CN112194800B (zh) * 2020-08-21 2022-06-21 大连芯鸿生物科技有限公司 一种4d打印智能水凝胶的制备、打印方法及其应用
CN112194801A (zh) * 2020-09-02 2021-01-08 中国农业大学 一种具有生物相容性的多糖基3d打印凝胶的制备及应用
CN112138215A (zh) * 2020-09-26 2020-12-29 江苏大学 基于纳米纤维素的细胞生长因子缓释各向异性支架构建方法和应用
CN112138215B (zh) * 2020-09-26 2021-11-05 江苏大学 基于纳米纤维素的细胞生长因子缓释各向异性支架构建方法和应用
WO2022062282A1 (zh) * 2020-09-26 2022-03-31 江苏大学 基于纳米纤维素的细胞生长因子缓释各向异性支架构建方法和应用
CN114163693A (zh) * 2021-12-07 2022-03-11 南京大学 一种用于3d打印的天然植物纤维及其打印方法
CN115429934A (zh) * 2022-09-20 2022-12-06 东华大学 一种3d打印应变传感组织工程支架及其制备方法
CN115429934B (zh) * 2022-09-20 2023-09-01 东华大学 一种3d打印应变传感组织工程支架及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109180988B (zh) 2021-07-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109180988A (zh) 一种功能化纳米纤维素水凝胶及其制备方法
CN103341209B (zh) 一种丝素蛋白纳米纤维膜及其制备方法
JP6636926B2 (ja) 生体医学的装置
CN106479195B (zh) 一种纳米纤维素增强丝素蛋白复合材料及其制备方法
CN107557330B (zh) 植物来源细胞培养材料
CN107532377B (zh) 纳米原纤纤维素产品
CN103691005B (zh) 一种微-纳纤维组织工程支架及其制备方法
CN103320886B (zh) 一种仿生再生丝素蛋白长丝纤维及其制备方法
CN110453378A (zh) 一种磺酸基量子点/丝素蛋白复合纳米纤维膜及其制备方法和应用
CN106310380A (zh) 一种纳米纤维化丝素蛋白凝胶及其制备方法
CN101856510B (zh) 丝素蛋白和硅酸钙复合纳米纤维支架材料的制备方法
CN108047465A (zh) 一种甲基丙烯酸酯明胶/壳聚糖互穿网络水凝胶、制备方法及应用
Jiang et al. Preparation of cellulose nanofiber-reinforced gelatin hydrogel and optimization for 3d printing applications.
CN102886063A (zh) 一种纳米微晶纤维素增强胶原复合基质的制备与应用
US20210069378A1 (en) Nanocellulose-containing bioinks for 3d bioprinting, methods of making and using the same, and 3d biostructures obtained therefrom
CN102309943A (zh) 一种利用细菌纤维素制备Pickering乳液的方法
CN102121133A (zh) 无抗原猪真皮胶原纤维
CN107519540B (zh) 一种高强柔性透光可植入的蚕丝蛋白/细菌纤维素/石墨烯复合导电膜
CN103041446A (zh) 一种具有生物相容性的细菌纤维素/胶原复合材料及其制备方法
CN110093041A (zh) 一种乙酰化改性蚕丝蛋白/细菌纤维素复合水凝胶膜及其制备方法
CN102690436B (zh) 一种能够定向调控软骨细胞积聚的活性微球及其制备方法
CN110859994B (zh) 一种改性柞蚕丝素蛋白3d打印支架及其制备方法
CN109972233A (zh) 可生物降解的具有高强度高韧性的海藻酸纤维的制备方法
CN109667062A (zh) Sf-phbv复合纳米纤维膜的制备方法
CN107365420A (zh) 一种细菌纤维素/聚乙烯醇医用复合材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant