CN112063234B - 双网络凝胶墨水、双网络凝胶和3d打印制品 - Google Patents

双网络凝胶墨水、双网络凝胶和3d打印制品 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双网络凝胶墨水、双网络凝胶和3D打印制品，该双网络凝胶墨水包括纳米粘土、海藻酸盐、海藻酸盐衍生物和光引发剂，所述海藻酸盐衍生物为甲基丙烯酸和邻苯二酚双重接枝的海藻酸盐。本发明的双网络凝胶墨水具有易挤出、易成型和生物相容性好的特点，利用该双网络凝胶墨水固化后形成的结构由于纳米粘土的填充和双交联网络而具有较高的机械强度，在组织工程和再生医学中具有良好的应用前景。

Description

双网络凝胶墨水、双网络凝胶和3D打印制品
技术领域
本发明涉及生物墨水，尤其是涉及一种双网络凝胶墨水、双网络凝胶和3D打印制品。
背景技术
生物3D打印作为增材制造的一种方法，是通过把生物相容性的材料与细胞精确定位在指定位置，进而构建体外组织/器官的一种技术，该技术在组织工程与再生医学领域有着巨大潜力。目前，缺乏可打印的生物相容性好的生物墨水被认为是阻碍生物3D打印发展的主要障碍之一。尤其是固化成型后具有较高机械强度的打印墨水尤为匮乏。水凝胶由于其类细胞外基质的特性被认为是生物3D打印的绝佳材料。但传统单网络交联的水凝胶由于机械性能，成型能力较差，严重阻碍了其在生物3D打印领域中的应用。因而如何在保证机械强度的前提下，提高其可打印性变得尤为关键。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种双网络凝胶墨水、双网络凝胶和3D打印制品，该双网络凝胶墨水具有优秀的流变学性能和挤出成型性，固化后形成的双网络凝胶具有较高的机械强度。
本发明所采取的技术方案是：
本发明的第一方面，提供一种双网络凝胶墨水，包括纳米粘土、海藻酸盐、海藻酸盐衍生物和光引发剂，所述海藻酸盐衍生物为甲基丙烯酸和邻苯二酚双重接枝的海藻酸盐。其中，邻苯二酚基团作为一种多功能的粘附基团，它的引入可以增加海藻酸盐衍生物与纳米粘土的相互吸附，而甲基丙烯酸基团的引入可以引发后续的光共价交联。
根据本发明的一些实施例的双网络凝胶墨水，光引发剂可以例举的有2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮(Irgacure 2959)以及苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂(LAP)。
根据本发明的一些实施例的双网络凝胶墨水，所述海藻酸盐衍生物由包括以下的步骤制备：
(1)海藻酸盐和甲基丙烯酸酐反应制得甲基丙烯酸接枝的海藻酸钠；
(2)加入羧基活化剂和多巴胺，缩合反应制得甲基丙烯酸和邻苯二酚双重接枝的海藻酸盐。
根据本发明的一些实施例的双网络凝胶墨水，步骤(1)中反应的温度为15～30℃，反应时间为4～48h。步骤(2)中反应的温度为15～30℃，反应时间为4～48h。
根据本发明的一些实施例的双网络凝胶墨水，所述海藻酸盐：甲基丙烯酸酐的摩尔比为0.5：(5～50)。
根据本发明的一些实施例的双网络凝胶墨水，所述羧基活化剂为EDC(1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺)和NHS(N-羟基丁二酰亚胺)，甲基丙烯酸接枝的海藻酸钠：EDC：NHS：多巴胺的摩尔比为(1～10)：(2～30)：(2～50)：(2～50)。
根据本发明的一些实施例的双网络凝胶墨水，所述海藻酸盐的粘度为20～800mpa.s。
根据本发明的一些实施例的双网络凝胶墨水，所述海藻酸盐为海藻酸钠。
根据本发明的一些实施例的双网络凝胶墨水，基于所述双网络凝胶墨水的体积，纳米粘土的浓度为5％-15％w/v，海藻酸盐的浓度为1％～8％w/v，海藻酸盐衍生物的浓度为2％～8％w/v，光引发剂的浓度为0.03％～0.2％w/v。
本发明的第二方面，提供一种双网络凝胶，由上述的双网络凝胶墨水经过光固化和与金属盐溶液交联固化制得，所述金属盐溶液中的金属阳离子为二价以上。
根据本发明的一些实施例，采用紫外光照射进行光固化，所述紫外光的波长为350nm～400nm。在一些实施例中，紫外光照射的时间为1～60min。
根据本发明的一些实施例，所述金属盐溶液中金属阳离子的浓度为0.1～5mol/L。在一些实施例中，与金属盐溶液交联固化的时间为2～500min。
根据本发明的一些实施例，金属阳离子为铝离子或钙离子，作用是引发海藻酸盐交联形成网络凝胶结构。
本发明的第三方面，提供一种3D打印制品，由上述的双网络凝胶墨水经过3D打印，然后经过光固化和与金属盐溶液交联固化，形成3D打印制品。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供了一种双网络凝胶墨水，加入的纳米粘土是一种具有片状结构，分散在水中形成片状晶体，表面带电荷的流变助剂，具有优秀的剪切变稀能力，使得墨水具有很好的挤出成型性；使用的海藻酸盐如海藻酸钠是自然界中广泛存在的天然多糖具有良好的生物相容性；使用的甲基丙烯酸和邻苯二酚双重接枝的海藻酸盐中，邻苯二酚基团作为一种多功能的粘附基团，它的引入可以增加海藻酸钠衍生物与纳米粘土的相互吸附，甲基丙烯酸基团的引入可以引发后续的光共价交联，二者使得整个墨水体系具有很好的稳定性。本发明实施例的双网络凝胶墨水具有易挤出、易成型和生物相容性好的特点，利用该双网络凝胶墨水固化后形成的结构由于纳米粘土的填充和双交联网络而具有较高的机械强度，在组织工程和再生医学中具有良好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1中的双网络凝胶墨水的数码照片；
图2为实施例1中纳米粘土加入海藻酸钠衍生物前后的粘度变化图；
图3为实施例2中的3D打印制件的照片；
图4为实施例2中3D打印制件的应力-应变测试曲线。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种双网络凝胶墨水，按照以下步骤制备：
(1)制备纳米粘土分散液：将5g纳米粘土加入到100mL水溶液中，剧烈搅拌至完全溶解，得到均匀的纳米粘土分散液。
(2)制备甲基丙烯酸和邻苯二酚双重接枝的海藻酸盐(即海藻酸钠衍生物)：
取1g海藻酸钠(Alginate)充分溶解于100mL去离子水中，随后加入3g甲基丙烯酸酐，室温下搅拌反应24h。反应结束后，于去离子水中透析3天，冷冻干燥，最后得到白色絮状的甲基丙烯酸接枝的海藻酸钠(Alginate-MA)。
取0.5g甲基丙烯酸接枝的海藻酸钠(Alginate-MA)充分溶解于去离子水中，分别加入1g 1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺(EDC)，1g N-羟基丁二酰亚胺(NHS)及2g多巴胺(Dopamine)，室温下搅拌反应10h。反应结束后，于去离子水中透析3天，冷冻干燥。最后得到白色絮状的甲基丙烯酸和邻苯二酚双重接枝的海藻酸钠(即海藻酸钠衍生物Cat-Alginate-MA)。
(3)向上述制备的纳米粘土分散液中分别加入3g海藻酸钠衍生物(Cat-Alginate-MA)、3g海藻酸钠(Alginate)以及0.1g光引发剂，剧烈搅拌至完全溶解，即得到预打印的双网络凝胶墨水，如图1所示。
为了证明在双网络凝胶墨水中加入海藻酸钠衍生物的效果，在步骤(1)的纳米粘土分散液中加入步骤(2)制得的海藻酸钠衍生物，对加入前后的粘度进行测定，结果如图2所示，对加入前后的Zeta电位和电导率进行测定，结果如表1所示。从图2中可以看出，海藻酸钠衍生物可以作为增加体系粘度的流变调节剂，加入后对提高体系的粘度具有不错的效果，利于后期的打印过程。如表1所示，通过测定体系的Zeta电位得知，加入海藻酸钠衍生物即甲基丙烯酸和邻苯二酚双重接枝的海藻酸钠后，体系的Zeta电位由-15.41增加到-57.98，体系稳定性明显变好，原因是纳米粘土为一种边缘带正电荷的纳米颗粒，而海藻酸钠也是一种常见的负电荷聚合物，二者有一定的正负静电引力，有利于体系的稳定。同时本发明实施例利用邻苯二酚基团能够粘附材料表面的性质，通过将邻苯二酚修饰在海藻酸钠骨架结构上，能够增加海藻酸钠衍生物与纳米粘土的相互作用，有利于体系的稳定性。
表1纳米粘土加入海藻酸钠衍生物前后的Zeta电位
样品名称 Zeta电位(mv) 电导率(mS/cm)
纳米粘土 -15.41 0.18
纳米粘土+海藻酸钠衍生物 -57.98 0.49
实施例2
本实施例提供一种3D打印制件，按照以下步骤制备：
(1)取实施例1的双网络凝胶墨水进行挤出式3D打印，得到打印结构；
(2)打印好的结构先经365nm紫外光对其进行照射20min，随后将打印结构浸入0.3M的铝离子溶液中30min，进行二次交联，即完成了打印结构的定型过程，制得的3D打印制件如图3所示。
本实施例的3D打印制件的应力-应变测试曲线如图4所示，其断裂应力为1900kPa，断裂应变为45％，压缩模量为500kPa，显示了较高的机械强度。传统的海藻酸钠单网络水凝胶的力学性能较弱，不适合单独应用在组织工程中，而就如何增强水凝胶的力学强度而言，本发明实施例同时利用了添加纳米粘土作为填充物以及构建双网络水凝的策略，海藻酸钠衍生物既可以通过光固化进行共价交联，又可以通过与金属离子相互作用进行离子交联，其中共价交联用于维持体系的完整性，而离子交联用于耗散外力，二者的结合对提高上网络凝胶和3D打印制件的力学强度有明显效果。
实施例3
本实施例提供一种3D打印制件，按照以下步骤制备：
(1)将8g纳米粘土加入到100mL水溶液中，剧烈搅拌至完全溶解，得到均匀的纳米粘土分散液。
(2)通过两步法制备甲基丙烯酸和邻苯二酚双重接枝的海藻酸钠(即海藻酸钠衍生物Cat-Alginate-MA)：
取2g海藻酸钠(Alginate)充分溶解于150mL去离子水中，随后加入5g甲基丙烯酸酐，室温下搅拌反应24h。反应结束后，于去离子水中透析3天，冷冻干燥，最后得到白色絮状的甲基丙烯酸接枝的海藻酸钠(Alginate-MA)。
取1g甲基丙烯酸接枝的海藻酸钠(Alginate-MA)充分溶解于去离子水中，分别加入2g 1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺(EDC)，2g N-羟基丁二酰亚胺(NHS)及2g多巴胺(Dopamine)，室温下搅拌反应8h。反应结束后，于去离子水中透析3天，冷冻干燥。最后得到白色絮状甲基丙烯酸和邻苯二酚双重接枝的海藻酸钠(即海藻酸钠衍生物Cat-Alginate-MA)。
(3)向上述制备好的纳米粘土分散液中分别加入5g海藻酸钠衍生物(Cat-Alginate-MA)、1g海藻酸钠(Alginate)以及0.1g光引发剂，剧烈搅拌至完全溶解，得到双网络凝胶墨水。
(4)将得到的双网络凝胶墨水进行挤出式3D打印，得到打印结构。打印好的结构先经365nm紫外光对其进行照射30min，随后将打印结构浸入0.5M的铝离子溶液中20min，进行二次交联，即完成了打印结构的定型过程，制得的3D打印制件。
取本实施例的3D打印制件进行应力-应变测试，断裂应力达到2300kPa，断裂应变达到60％，压缩模量为550kPa，具有较高的机械强度。

Claims (8)

1.一种双网络凝胶墨水，其特征在于，包括纳米粘土、海藻酸盐、海藻酸盐衍生物和光引发剂，所述海藻酸盐衍生物为甲基丙烯酸和邻苯二酚双重接枝的海藻酸盐；所述海藻酸盐衍生物由包括以下的步骤制备：
(1)海藻酸盐和甲基丙烯酸酐反应制得甲基丙烯酸接枝的海藻酸盐；
(2)加入羧基活化剂和多巴胺，缩合反应制得甲基丙烯酸和邻苯二酚双重接枝的海藻酸盐。
2.根据权利要求1所述的双网络凝胶墨水，其特征在于，所述海藻酸盐：甲基丙烯酸酐的摩尔比为0.5：(5～50)。
3.根据权利要求1所述的双网络凝胶墨水，其特征在于，所述羧基活化剂为EDC和NHS，甲基丙烯酸接枝的海藻酸钠：EDC：NHS：多巴胺的摩尔比为(1～10)：(2～30)：(2～50)：(2～50)。
4.根据权利要求1至3任一项所述的双网络凝胶墨水，其特征在于，基于所述双网络凝胶墨水的体积，纳米粘土的浓度为5％-15％w/v，海藻酸盐的浓度为1％～8％w/v，海藻酸盐衍生物的浓度为2％～8％w/v，光引发剂的浓度为0.03％～0.2％w/v。
5.一种双网络凝胶，其特征在于，由权利要求1至4任一项所述的双网络凝胶墨水经过光固化和与金属盐溶液交联固化制得，所述金属盐溶液中的金属阳离子为二价以上。
6.根据权利要求5所述的双网络凝胶，其特征在于，采用紫外光照射进行光固化，所述紫外光的波长为350nm～400nm。
7.根据权利要求5所述的双网络凝胶，其特征在于，所述金属盐溶液中的金属阳离子的浓度为0.1～5mol/L。
8.一种3D打印制品，其特征在于，由权利要求1至4任一项所述的双网络凝胶墨水经过3D打印，然后经过光固化和与金属盐溶液交联固化，形成3D打印制品。
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