CN110229352A - 一种复合水凝胶材料的制备及其复合支架打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合水凝胶材料的制备及其复合支架打印方法，以鸡蛋蛋清和成形材料混合制备的复合水凝胶作为生物材料，通过使用3D打印和交联成形的复合工艺方法制备出复合支架。本发明通过将蛋清和成形材料混合制备打印，实现了对蛋清溶液的定向打印；而且通过此方法不会影响蛋清中含有的各种蛋白特性，提高了支架的生物性能，有助于促进支架的血管化。同时蛋清具有很好的保水性，即蛋清和成形材料混合制备复合支架为细胞生长提供良好的环境。此外，蛋清和成形材料是常见且容易获得的材料，而且制备方法简单高效。因为，本发明蛋清和成形材料复合水凝胶材料及复合支架在组织工程和再生医学领域具有很广阔的应用前景。

Description

一种复合水凝胶材料的制备及其复合支架打印方法
技术领域
本发明涉及一种复合水凝胶材料的制备及其复合支架打印方法，应用于组织工程与再生医学领域。
背景技术
近年来，组织工程在生物医学领域得到了飞速的发展，生物3D打印技术成为了研究的焦点，但生物打印墨水成为了影响生物3D打印发展的难点。水凝胶作为常见的生物打印材料被广泛应用与组织工程。但是单一的水凝胶材料难以满足生物医学相应的需求，如生物相容性及生物力学性能等。因此，复合水凝胶的制备及其支架的打印成为研究的热点。
蛋白质的材料由于其内在和独特的性质，包括无毒性、生物相容性和生物降解性，在生物材料领域具有很大的前景。在可用于支架制备的许多不同天然聚合物中，应优选那些具有高生物活性和可用性，易于处理及低成本的蛋白质。蛋清做为一种常见的食品而且价格低廉，被应用于各个方面，如在化妆品行业将蛋清做为包装材料，乳化剂和增稠剂等。此外，对于蛋清成分来说，其中含有大量的蛋白及生长因子，如卵白蛋白，卵转铁蛋白、卵类粘蛋白和溶菌酶等；这些物质都有助于促进细胞和组织生长，且有助于促进内皮细胞的生长及血管化。因为蛋清在组织工程领域具有很大的应用价值。但是其材料成形方式单一，影响其应用。但一些生物材料，如海藻酸钠，明胶和壳聚糖等生物材料，其具有较好的成形方法及保持稳定的形态。
基于此我们探索制备一种基于蛋清的复合水凝胶，其具有良好的生物学性能及打印成形能力，而且基于蛋清自带的各种蛋白有助于细胞的生长繁殖，特别有助于促进组织的血管化。在组织工程领域具有巨大的应用价值。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于提供一种复合水凝胶材料的制备及其复合支架打印方法，该水凝胶材料是通过使用鸡蛋蛋清与海藻酸钠混合制备而成，具有良好的生物力学性能和生物相容性，并且该水凝胶材料还有丰富的蛋白，有助于宿主细胞的生长繁殖及促进内皮细胞的血管化；此外该制备的水凝胶材料可以通过生物3D打印及化学交联的方法成形复合的生物组织支架，应用于组织工程和再生医学领域，具有很大的应用前景。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种复合水凝胶材料的制备及其复合支架打印方法，采用鸡蛋蛋清和成形材料混合制备复合水凝胶打印材料，通过生物3D打印和化学交联成形的复合工艺方法制备复合生物支架，其特征在于，具体步骤如下：
a.复合水凝胶材料的制备：
首先，将鸡蛋放入去离子水中进行表面清洗，然后放入到75%的医用酒精中，并照射紫外灯处理，进行消毒2小时，再将其放入到PBS中清洗三次；然后放置在超净台中，打碎鸡蛋将蛋清和蛋黄分离，将得到的蛋清装在离心管中，保存于4℃的冰箱中待用；
其次，称取设定量的成形材料加入烧杯中，加入去离子水，对其充分进行搅拌使完全溶解于去离子水中，制备得到成形材料溶液；
然后，将冷藏的蛋清和制备的成形材料溶液按照体积比为1：（4-6）的比例进行混合，加入到离心管中充分搅拌，之后将其放置在恒温振荡箱中，设置在25℃情况下振荡2小时，保证溶液混合均匀；
最后，将混合溶液静置放在超净台中24小时，使其中的气泡全部排出，得到蛋清和成形材料的复合水凝胶材料；
b.交联剂的制备：
为了成形复合支架及增强支架的强度，采用化学交联的方法，称取设定量的交联剂粉末置于烧杯中，加入去离子水，充分搅拌溶解，得到交联剂溶液；
c.复合支架的打印：
通过基于挤出打印的方法进行复合支架的制备，将步骤a中制备的复合水凝胶材料加入到医用针管中，选择25G的针头，安装在自制的3D打印机的X-Y运动轴上；其材料的挤出通过气压进行挤出，其中一个空压机和气压控制器用于提供和调节气压，其打印挤出气压值为2-4Psi，接收装置安装在Z轴平台，能够上下运动；
采用液浴接收的方法，将步骤b中制备的交联剂溶液添加到接收装置中，使接收装置的底部全部被交联剂溶液所浸没；
然后对设计的结构进行支架打印，针头移动速度为4-6mm/s；挤出的复合水凝胶材料的纤维丝在接收装置底部成形，且其纤维丝表面通过交联剂成形；交联方式采用逐层交联的方法进行，随着打印层不断加入交联剂溶液；
直到打印结束之后，加入交联剂溶液使其完全淹没打印的支架，充分交联2小时，得到制备的复合支架，再将其放入干燥箱37℃进行烘干。
所述成形材料选用海藻酸钠，或海藻酸钠与明胶混合制备。当成形材料为海藻酸钠时，称取设定量的海藻酸钠加入烧杯中，加入去离子水，对其充分进行搅拌使完全溶解于去离子水中，制备得到3%-5%浓度的海藻酸钠溶液。当成形材料为海藻酸钠与明胶混合制备时，先将海藻酸钠溶于去离子水中制备得到3%-5%浓度的溶液，明胶溶于去离子水中制备得到5%-10%浓度的溶液，然后将海藻酸钠和明胶按照体积比为为2±0.5:1混合加入烧杯中，对其充分进行搅拌，制备得到海藻酸钠/明胶混合溶液。
所述交联剂选用氯化钙或氯化钡，交联剂的浓度为4%-6%。
所述挤出打印的复合水凝胶纤维丝直径在200-400μm。
所述交联剂溶液逐层交联，其通过微量泵控制，加入一个打印层厚的体积的交联剂溶液进行交联打印好的下层支架，即交联剂溶液体积为纤维直径乘以接收装置底面积。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
本发明采用蛋清和海藻酸钠以及明胶作为材料混合制备复合水凝胶材料，其二者价格低廉，来源广泛，制备简单快捷。其蛋清中还有很多蛋白，如卵白蛋白，卵转铁蛋白、卵类粘蛋白等，其有助于细胞的生长和繁殖，且有助于促进内皮细胞进行血管化。本发明制备的复合支架，其保留了蛋清中的生长因子及蛋白，避免了对其蛋白的变性，而且挤出成形的纤维丝粗细均匀，可按照设计随意成形，打印方式简单方便。
附图说明
图1是本发明实施例一复合水凝胶材料制备过程示意图。
图2是本发明实施例一复合支架打印制备方法示意图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例1
在本实施例中，参见图1和图2所示，一种复合水凝胶材料的制备及其复合支架打印方法，以蛋清和海藻酸钠作为材料制备复合水凝胶，通过挤出3D打印和化学交联的方法制备复合支架；包括如下步骤：
a.复合水凝胶材料的制备：
首先，将鸡蛋放入去离子水中进行表面清洗，然后放入到75%的医用酒精中，并照射紫外灯处理，进行消毒2小时，再将其放入到PBS中清洗三次；然后放置在超净台中，打碎鸡蛋将蛋清和蛋黄分离，将得到的蛋清装在离心管中，保存于4℃的冰箱中待用；
其次，称取设定量的海藻酸钠加入烧杯中，加入去离子水，对其充分进行搅拌使完全溶解于去离子水中，制备得到5±0.5%浓度的海藻酸钠溶液；
然后，将冷藏的蛋清和制备的海藻酸钠溶液按照体积比为1：5±0.1的比例进行混合，加入到离心管中充分搅拌，之后将其放置在恒温振荡箱中，设置在25℃情况下振荡2小时，保证溶液混合均匀；
最后，将混合溶液静置放在超净台中24小时，使其中的气泡全部排出，得到蛋清和海藻酸钠的复合水凝胶材料；
b.交联剂的制备：
称取设定量的氯化钙粉末置于烧杯中，加入去离子水，充分搅拌溶解，得到浓度为4±0.1%的氯化钙溶液作为交联剂；
c.复合支架的打印：
通过基于挤出打印的方法进行复合支架的制备，将步骤a中制备的复合蛋清和海藻酸钠水凝胶材料加入到医用针管中，选择25G的针头，安装在自制的3D打印机的X-Y运动轴上；其材料的挤出通过气压进行挤出，其中一个空压机和气压控制器用于提供和调节气压，其打印挤出气压值为2.5±0.1Psi，接收装置安装在Z轴平台，能够上下运动；
采用液浴接收的方法，将步骤b中制备的交联剂添加到接收装置中，使接收装置的底部全部被氯化钙溶液所浸没；
然后对设计的结构进行支架打印，针头移动速度为4-6mm/s；挤出的复合蛋清和海藻酸钠的纤维丝在接收装置底部成形，且其纤维丝表面通过交联剂成形；交联方式采用逐层交联的方法进行，随着打印层不断加入氯化钙溶液；
直到打印结束之后，加入氯化钙溶液使其完全淹没打印的支架，充分交联2小时，得到制备的复合支架，再将其放入干燥箱37℃进行烘干。
实施例2
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
一种复合水凝胶材料的制备及其复合支架打印方法，包括如下步骤：
a.复合水凝胶材料的制备：
首先，将鸡蛋放入去离子水中进行表面清洗，然后放入到75%的医用酒精中，并照射紫外灯处理，进行消毒2小时，再将其放入到PBS中清洗三次；然后放置在超净台中，打碎鸡蛋将蛋清和蛋黄分离，将得到的蛋清装在离心管中，保存于4℃的冰箱中待用；
其次，称取设定量的海藻酸钠加入烧杯中，加入去离子水，对其充分进行搅拌使完全溶解于去离子水中，制备得到5±0.5%浓度的海藻酸钠溶液；
接着，称取设定量的明胶粉末置于烧杯中，再将其中加入设定量的去离子水，在60℃的水浴中进行搅拌溶解，配置成6±1%浓度的明胶溶液，降至37℃；
然后，将准备的海藻酸钠溶液和准备的明胶溶液进行混合，按照体积比为2±0.5:1将海藻酸钠和明胶充分搅拌，混合均匀。再将混合均匀的海藻酸钠/明胶溶液与蛋清溶液按照体积比为5±0.1:1的比例进行混合，然后充分搅拌之后，将其放置在恒温振荡器中在25℃的条件下进行充分振荡混合2小时，保证它们混合均匀。
最后，再将混合溶液放置在超净台中，静置24小时，使其中的气泡全部排出，得到蛋清/海藻酸钠/明胶的复合水凝胶溶液，明胶有助于打印过程中对支架的支撑以及增强支架的强度。
b.本步骤与实施例一相同；
c.复合支架的打印：
通过基于挤出打印的方法进行复合支架的制备，将a中制备好的蛋清/海藻酸钠/明胶复合水凝胶溶液装入医用针管，并且使用自制的恒温针管加热装置，使其针管保持在30±2℃，并且安装在自制的生物3D打印机上，可在X-Y平面内运动。接收装置按照在Z轴上，可进行上下运动。选用G25的针头用于打印。
打印方式选择气压挤出打印，其中一个空压机和气压控制器被用于挤出蛋清/海藻酸钠/明胶复合水凝胶，其气压值保持在2.8±0.1Psi；准备好之后，进行挤出打印，其针头移动速度为4-6mm/s。
按照设计的结构进行逐层打印；交联方式也选择逐层交联，即打印好一层之后向浴液接收装置中加入一定量的氯化钙溶液进行交联。等全部支架打印结束之后，将氯化钙溶液继续注入到接收装置中，使其充分淹没整个支架，充分交联2小时，使得整个支架全部都交联，增加支架的强度。得到制备的复合支架，再将其放入干燥箱37℃进行烘干。
实施例3
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
一种复合水凝胶材料的制备及其复合支架打印方法，包括如下步骤：
a.本步骤与实施例一相同；
b.交联剂的制备：
称取设定量的氯化钡粉末置于烧杯中，加入去离子水，充分搅拌溶解，得到浓度为5±0.1%的氯化钡溶液作为交联剂；
c.本步骤与实施例一相同。

Claims (7)

1.一种复合水凝胶材料的制备及其复合支架打印方法，采用鸡蛋蛋清和成形材料混合制备复合水凝胶打印材料，通过生物3D打印和化学交联成形的复合工艺方法制备复合生物支架，其特征在于，具体步骤如下：
a.复合水凝胶材料的制备：
首先，将鸡蛋放入去离子水中进行表面清洗，然后放入到75%的医用酒精中，并照射紫外灯处理，进行消毒2小时，再将其放入到PBS中清洗三次；然后放置在超净台中，打碎鸡蛋将蛋清和蛋黄分离，将得到的蛋清装在离心管中，保存于4℃的冰箱中待用；
其次，称取设定量的成形材料加入烧杯中，加入去离子水，对其充分进行搅拌使完全溶解于去离子水中，制备得到成形材料溶液；
然后，将冷藏的蛋清和制备的成形材料溶液按照体积比为1：（4-6）的比例进行混合，加入到离心管中充分搅拌，之后将其放置在恒温振荡箱中，设置在25℃情况下振荡2小时，保证溶液混合均匀；
最后，将混合溶液静置放在超净台中24小时，使其中的气泡全部排出，得到蛋清和成形材料的复合水凝胶材料；
b.交联剂的制备：
为了成形复合支架及增强支架的强度，采用化学交联的方法，称取设定量的交联剂粉末置于烧杯中，加入去离子水，充分搅拌溶解，得到交联剂溶液；
c.复合支架的打印：
通过基于挤出打印的方法进行复合支架的制备，将步骤a中制备的复合水凝胶材料加入到医用针管中，选择25G的针头，安装在自制的3D打印机的X-Y运动轴上；其材料的挤出通过气压进行挤出，其中一个空压机和气压控制器用于提供和调节气压，其打印挤出气压值为2-4 Psi，接收装置安装在Z轴平台，能够上下运动；
采用液浴接收的方法，将步骤b中制备的交联剂溶液添加到接收装置中，使接收装置的底部全部被交联剂溶液所浸没；
然后对设计的结构进行支架打印，针头移动速度为4-6mm/s；挤出的复合水凝胶材料的纤维丝在接收装置底部成形，且其纤维丝表面通过交联剂成形；交联方式采用逐层交联的方法进行，随着打印层不断加入交联剂溶液；
直到打印结束之后，加入交联剂溶液使其完全淹没打印的支架，充分交联2小时，得到制备的复合支架，再将其放入干燥箱37℃进行烘干。
2.根据权利要求1所述的复合水凝胶材料的制备及其复合支架打印方法，其特征在于：所述成形材料选用海藻酸钠，或海藻酸钠与明胶混合制备。
3.根据权利要求2所述的复合水凝胶材料的制备及其复合支架打印方法，其特征在于：当成形材料为海藻酸钠时，称取设定量的海藻酸钠加入烧杯中，加入去离子水，对其充分进行搅拌使完全溶解于去离子水中，制备得到3%-5%浓度的海藻酸钠溶液。
4.根据权利要求2所述的复合水凝胶材料的制备及其复合支架打印方法，其特征在于：当成形材料为海藻酸钠与明胶混合制备时，先将海藻酸钠溶于去离子水中制备得到3%-5%浓度的溶液，明胶溶于去离子水中制备得到5%-10%浓度的溶液，然后将海藻酸钠和明胶按照体积比为为2±0.5:1混合加入烧杯中，对其充分进行搅拌，制备得到海藻酸钠/明胶混合溶液。
5.根据权利要求1所述的复合水凝胶材料的制备及其复合支架打印方法，其特征在于：所述交联剂选用氯化钙或氯化钡，交联剂的浓度为4%-6%。
6.根据权利要求1所述的复合水凝胶材料的制备及其复合支架打印方法，其特征在于：所述挤出打印的复合水凝胶纤维丝直径在200-400μm。
7.根据权利要求1所述的复合水凝胶材料的制备及其复合支架打印方法，其特征在于：所述交联剂溶液逐层交联，其通过微量泵控制，加入一个打印层厚的体积的交联剂溶液进行交联打印好的下层支架，即交联剂溶液体积为纤维直径乘以接收装置底面积。
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