CN109483868B - 一种基于三维喷墨打印技术的多孔支架及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了提供了一种基于三维喷墨打印技术的多孔支架及其制备方法，属于生物医用材料领域。本发明将三维支架打印在具有支撑作用的介质当中，支撑介质能够支撑支架，保证支架的顺利打印，并且还可以在支撑介质中可以外加固化因子，促进已经打印出的支架的快速成型。该发明是在不改变原有三维喷墨打印设备的基础上，在打印平台上增添支撑介质，使打印出的材料包埋在具有支撑性的琼脂胶体中。这样就实现成型性能差的材料打印。在打印完成后加热溶解掉琼脂，即可得到打印的支架。

Description

一种基于三维喷墨打印技术的多孔支架及其制备方法
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，特别是涉及一种成型能力差的生物材料及其制备方法。
技术背景
缺失或功能障碍组织器官的修复重建依然是生物医学面临的重大难题本。全世界每年约有上千万人遭受各种形式的的创伤，有数十万的人迫切希望进行各种器官移植。器官移植作为一种不可或缺的临床治疗手段，还主要是采取损伤治疗模式，并且由于受到器官来源，伦理，已经机体免疫排斥等方面限制而难以满足临床救治的需求，这种情况下，组织工程的得以诞生和发展，使得受损的组织重新长出来成为可能。在组织工程的应用当中，三维支架作为细胞的载体起到至关重要的作用。经过研究人员的不断探索，三维支架必须为三维多孔结构，并且能和受损部位外形良好匹配。多孔三维支架的制备方法一直是研究的热点问题。
近些年来随着制造技术的快速发展，增材制造技术(3D打印)在很多方面展现出其材料成型制造优势。3D打印是通过材料的累积来成形复杂的零件，通过模型设计及控制打印喷头的移动轨迹可精确成型零件内外复杂三维结构。结合3D打印的技术特点非常实用生物医用材料领域。三维喷墨打印(3DP)是目前生物3D打印应用最为广泛的技术，其对材料要求比较低，可以用于多种材料的打印，同样适用于含有细胞的3D打印。三维喷墨打印(3DP)的技术特点为，打印的墨水在打印前为具有流动性的液体，打印墨水通过细小的喷头挤出，通过控制喷头运动来层层沉积打印材料，即可完成模型的打印。对三维喷墨打印，先打印出的材料只有快速固化才能支撑起后续的打印材料，保证打印的成功。然而对于生物3D打印，因为要保证打印支架的生物相容性，很多材料固化的方式难以应用，这样就导致三维喷墨打印的精度过低，并且很难打印较为复杂的模型。
本发明为了解决这个问题，提出了一种在支撑介质中的打印方法，具体为将三维喷墨打印的打印墨水打印在具有一定支撑性的介质当中，在介质当中可以包含打印墨水的固化因子，一方面起到支撑支架的作用，一方面加速打印墨水的固化，最后除去打印介质，即可得到打印完成的支架。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供了一种基于三维喷墨打印技术的多孔支架及其制备方法，将三维支架打印在具有支撑作用的介质当中，支撑介质能够支撑支架，保证支架的顺利打印，并且还可以在支撑介质中可以外加固化因子，促进已经打印出的支架的快速成型。。
本发明包含以下技术方案：
一种基于三维喷墨打印技术的多孔支架前体，包括多孔支架和支撑介质，所述多孔支架包埋在支撑介质中，所述支架能够在打印过程中起支撑作用，方便所述多孔支架的成型，通过该方法可以十分方便地利用三维喷墨打印技术打印成型性能差的材料，在不改变原有三维喷墨打印设备的基础上即可实现。
作为可选方式，在上述多孔支架前体中，所述支撑介质是具有支撑性的琼脂胶体。
作为可选方式，在上述多孔支架前体中，所述支撑介质中含有有助于所述多孔支架材料成型的固化剂，例如，当所打印的材料为水凝胶材料，即可在配制琼脂溶液的过程中加入相应的交联剂。
作为可选方式，在上述多孔支架前体中，所述固化剂为戊二醛、氯化钙中的至少一种。
作为可选方式，在上述多孔支架前体中，所述多孔支架采用3D打印技术制备，其中3D打印技术为三维喷墨打印(Three Dimension Printing，3DP)。所述的打印墨水为适用于三维喷墨打印技术(3DP)的打印原料，打印墨水在打印前需具有一定的流动性，能均匀的从打印喷头中挤出。打印墨水可以为水凝胶材料，胶原等需要打印的生物材料，但是打印好的支架材料不能溶于琼脂溶液。
作为可选方式，在上述多孔支架前体中，构成所述多孔支架的材料为磷酸钙、海藻酸钠、明胶中的至少一种。
本发明还公开了一种基于三维喷墨打印技术的多孔支架前体的制备方法，其特征在于，将多孔支架打印在具有支撑性的胶状介质中。
作为可选方式，上述多孔支架前体的制备方法，包括以下步骤：
(1)根据所需的支架，配制打印墨水；
(2)将琼脂充分溶解在90℃以上的热水中，获得琼脂溶液，
(3)将琼脂溶液温度降至室温，使溶液的由液态变为半固体的胶状；
(4)采用三维喷墨打印技术将琼脂胶体做支撑介质，控制打印喷头在琼脂胶体内部运动将所述打印墨水打印在胶状的琼脂介质中，获得多孔支架前体。
作为可选方式，在上述多孔支架前体的制备方法中，所述琼脂溶液的质量分数为1％-10％的。琼脂的浓度根据打印材料而定，打印材料的成型性能越差，则琼脂溶液的浓度越高。
作为可选方式，在上述多孔支架前体的制备方法中，可以在配制琼脂溶液过程中，辅助增加所打印材料固化剂，琼脂能够缓慢释放固化剂帮助打印出支架材料固化。如所打印的材料为水凝胶材料，即可在配制琼脂溶液的过程中加入相应的交联剂。
作为可选方式，在上述多孔支架前体的制备方法中，所述的打印墨水为适用于三维喷墨打印技术(3DP)的打印原料，打印墨水在打印前需具有一定的流动性，能均匀的从打印喷头中挤出。打印墨水可以为水凝胶材料，胶原等需要打印的生物材料，但是打印好的支架材料不能溶于琼脂溶液。
本发明还公开了一种基于三维喷墨打印技术的多孔支架的制备方法，其特征在于，先采用上述任意一种方法制备多孔支架前体，再去除所述具有支撑性的胶状介质。
作为可选，去除所述具有支撑性的胶状介质的方法具体为：将所述多孔支架前体慢慢加热(如加热到90℃以上)，待胶状介质完全融化后，拿出所需的支架。
本发明还公开了一种采用上述方法制备的多孔支架。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本发明的有益效果：
1.采用支撑介质打印多孔支架的制备方法，使三维喷墨打印技术能够打印成型性能差的材料。传统三维喷墨打印技术对打印材料要求较高，其先打印的材料要能够支撑起后续的打印材料，才能保证打印的顺利进行，一些成型能力差的材料就无法打印。组织工程中需要制备三维支架，其中所用的很多材料很难用传统的三维喷墨打印技术打印。本发明成功实现成型性能差的材料打印。在打印完成后加热溶解掉琼脂，即可得到打印的支架。
2.本发明采用的支撑介质为琼脂，生物安全性高，不会污染打印的支架。
3.当琼脂溶液冷却到37℃以下，溶液便会凝成紧致的胶状。这样能支撑打印材料，保证打印过程顺利进行；
4.支撑介质(琼脂)可做为所打印材料固化剂的载体，将固化因子均匀的传递给打印材料，确保打印出的材料固化；
5.增加支撑介质，只需在打印平台上摆放盛有支撑介质的容器即可，不需改变原有的三维喷墨打印设备，经济方便。
附图说明：
图1为本发明所述基于三维喷墨打印技术的多孔支架在制备过程中的示意图；
图2为本发明所述基于三维喷墨打印技术的多孔支架在制备过程中的截面示意图。
具体实施方式：
以下通过实施例的具体实施方式再对本发明的上述内容作进一步的详细说明。但不应当将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明的精神和原则之内做的任何修改，以及根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的等同替换或者改进，均应包括在本发明的保护范围内。。
实施例1
(1)配置磷酸钙系生物活性陶瓷打印墨水；
将磷酸钙粉体和生物粘结剂聚乙烯醇(PVB，Mn＝70000-90000)、乙醇(Sigma)按比例3.6:32:32充分混合制得磷酸钙系生物活性陶瓷打印墨水。
(2)配置支撑介质：
将琼脂和up水按照比例1:99充分混合并加热至90℃，待琼脂充分溶解后将琼脂溶液温度降至室温。
(3)采用三维喷墨打印技术(3DP)制备所需支架，在打印的过程当中保证装载琼脂的容器底部为打印平台，并使打印喷头始终在琼脂液面高度一下。
(4)将包埋打印支架的琼脂胶体缓慢加热至90℃，待琼脂完全融化后取出支架即可。
上述实施例打印墨水不会溶解在琼脂溶液中，并且打印墨水打印后成型能力较好，所以采用的琼脂浓度较低为1％。
实施例2
(1)配置海藻酸钠生物水凝胶打印墨水
将海藻酸钠粉体和up水按照6：94比例充分混合，搅拌使海藻酸钠充分溶解制成打印墨水。
(2)配置支撑介质：
将琼脂，氯化钙和up水按照比例1：9:90充分混合并加热至90℃，待琼脂充分溶解后将琼脂溶液温度降至室温。
(3)采用三维喷墨打印技术(3DP)制备海藻酸钠支架，在打印的过程当中保证装载琼脂的容器底部为打印平台，并使打印喷头始终在琼脂液面高度一下。
(4)将包埋打印支架的琼脂胶体缓慢加热至90℃，待琼脂完全融化后取出支架即可。
在上述实施例制备过程中，打印墨水为海藻酸钠溶液，其是很常见的一种组织工程支架原料，通过传统的三维喷墨打印方法无法制备三维支架。而在本实施例中打印介质可以很好的支撑起打印材料，保证打印顺利进行。支撑介质中含有使其发生交联的氯化钙可以使打印的海藻酸钠支架交联固化，进而保证在后续加热溶解后支架继续保持原状。
实施例3
(1)配置明胶生物水凝胶打印墨水
将明胶粉体和up水按照10：90比例充分混合，搅拌使明胶充分溶解制成打印墨水。
(2)配置支撑介质：
将琼脂，戊二醛和up水按照比例1：2:97充分混合并加热至90℃，待琼脂充分溶解后将琼脂溶液温度降至室温。
(3)采用三维喷墨打印技术(3DP)制备明胶支架，在打印的过程当中保证装载琼脂的容器底部为打印平台，并使打印喷头始终在琼脂液面高度一下。
(4)将包埋打印支架的琼脂胶体缓慢加热至90℃，待琼脂完全融化后取出支架即可。
在本实施例中，打印墨水为明胶溶液，其是很常见的一种支架原料，通过传统的三维喷墨打印方法无法制备三维支架。而在本实施例中先打印出的明胶可以很好的包埋在支撑介质当中，支撑起后续的打印，保证打印顺利进行。打印介质中含有使其发生交联的戊二醛使打印的明胶支架交联固化，进而保证在后续加热溶解后支架继续保持原状。
实施例4
(1)配置明胶和海藻酸钠复合生物水凝胶打印墨水
将明胶粉体，海藻酸钠和up水按照5：5:90比例充分混合，搅拌使明胶和海藻酸钠充分溶解制成打印墨水。
(2)配置支撑介质：
将琼脂，氯化钙和up水按照比例1：9:90充分混合并加热至90℃，待琼脂充分溶解后将琼脂溶液温度降至室温。
(3)采用三维喷墨打印技术(3DP)制备海藻酸钠明胶复合支架，在打印的过程当中保证装载琼脂的容器底部为打印平台，并使打印喷头始终在琼脂液面高度一下。
(4)将包埋打印支架的琼脂胶体缓慢加热至90℃，待琼脂完全融化后取出支架即可。
在本实施例中，打印墨水为明胶和海藻酸钠溶液，是很常见的一种支架原料，通过传统的三维喷墨打印方法无法制备三维支架。而在本实施例中先打印出的明胶和海藻酸钠可以很好的包埋在支撑介质当中，支撑起后续的打印，保证打印顺利进行。打印介质中含有使其发生交联的氯化钙可以使打印的支架交联固化，进而保证在后续加热溶解后支架继续保持原状。
以上所述仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本领域普通技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于三维喷墨打印技术的多孔支架前体的制备方法，其特征在于，
（1）根据需求制备所需的三维喷墨打印墨水；
（2）将琼脂充分溶解在90℃以上的热水中，获得琼脂溶液，并在配制琼脂溶液过程中，辅助添加固化剂，使得琼脂能够缓慢释放固化剂，将固化剂均匀的传递给打印材料，帮助打印出的支架材料固化成型；
（3）将琼脂溶液温度降至室温，使溶液的由液态变为半固体的胶状；
（4）采用三维喷墨打印技术将琼脂胶体做支撑介质，控制打印喷头在琼脂胶体内部运动将所述打印墨水打印在琼脂胶体中，获得多孔支架前体，所述支撑介质能够在打印过程中起支撑作用，方便所述多孔支架的成型。
2.根据权利要求1所述的多孔支架前体的制备方法，其特征在于，所述固化剂为戊二醛、氯化钙中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的多孔支架前体的制备方法，其特征在于，所述打印墨水为适用于三维喷墨打印技术(3DP)的打印原料，打印墨水在打印前需具有一定的流动性，能均匀的从打印喷头中挤出，打印好的支架材料不溶于琼脂溶液。
4.根据权利要求1所述的多孔支架前体的制备方法，其特征在于，所述打印墨水为磷酸钙、海藻酸钠、明胶中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的多孔支架前体的制备方法，其特征在于，所述，所述琼脂溶液的质量分数为1％-10％。
6.一种采用权利要求1-5中任意一个所述的方法制备的多孔支架前体，其特征在于，包括多孔支架和支撑介质，所述多孔支架通过三维喷墨打印技术直接打印在所述支撑介质内部，并包埋在支撑介质中，所述支撑介质中含有有助于所述多孔支架材料成型的固化剂，所述支撑介质作为固化剂的载体，能够将固化剂均匀的传递给打印材料，确保打印出的材料固化，所述支架能够在打印过程中起支撑作用，方便所述多孔支架的成型。
7.一种基于三维喷墨打印技术的多孔支架的制备方法，其特征在于，先采用权利要求1-5中任意一个所述的方法制备多孔支架前体，再去除所述琼脂胶体。
8.根据权利要求7所述的多孔支架的制备方法，其特征在于，去除所述琼脂胶体介质的方法具体为：将所述多孔支架前体慢慢加热，待琼脂胶体完全融化后，拿出所需的支架。
9.一种采用权利要求8所述方法制备的多孔支架。
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