CN113908337A

CN113908337A - 一种3d打印力学匹配人工血管所用凝胶生物墨水及其制备方法

Info

Publication number: CN113908337A
Application number: CN202111442442.8A
Authority: CN
Inventors: 殷义霞; 邵溢纯; 余丹; 常利坤
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2022-01-11

Abstract

本发明公开了3D打印力学匹配人工血管所用凝胶生物墨水及其制备方法。按质量份数计，该凝胶生物墨水包括3‑7份甲基丙烯酸化明胶、2‑4份明胶、3‑5份海藻酸钠、1‑1.5份光引发剂和100份水。其制备为：60‑80℃条件下避光搅拌，得光引发剂溶液；降温至50‑60℃，依次加入甲基丙烯酸化明胶和明胶，分别避光条件下充分搅拌混合；降温至35‑45℃，加入海藻酸钠充分混合；然后在35‑45℃下超声振动，置于真空干燥箱中过夜，35‑45℃水浴锅静置2‑3天，即得凝胶生物墨水。该凝胶生物墨水通过3D打印所得人工血管力学性能与人体血管力学匹配，血液相容性良好，可有效防止人工血管植入后容易出现血栓、再狭窄问题。

Description

一种3D打印力学匹配人工血管所用凝胶生物墨水及其制备方法

技术领域

本发明涉及用于血管损伤修复的仿生人工血管的制备领域，具体涉及到一种复合水凝胶人工血管的制备方法。

背景技术

人工血管的置换中，力学性能不匹配和植入后出现血栓、再狭窄问题一直是小口径人工血管研究中的两大难点。目前国内用于制作人工血管最热门的材料包括聚膨体四氟乙稀(ePTFE)、聚酯涤纶、聚氨酯等。然而这些材料作为小口径人造血管常出现因力学不匹配的顺应性较差，即弹性不佳，容易引起阻塞；以及植入后易出现血栓、再狭窄等相容性问题。其理化性质接近于细胞外基质而具有优异的生物相容性的水凝胶材料成为了研究的热点。早先的相关研究中有过使用水凝胶制备人工血管的报道，但因其力学性能较弱，不能达到生物体内微环境对于血管植入物力学性能的要求而难以出现突破性进展。因此本发明通过GelMA良好的生物活性，海藻酸钠水凝胶较高的力学强度，进行复合并改性，并加入明胶增强其韧性，来制备较为理想的GelMA-SA-Gelatin复合水凝胶人工血管。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种3D打印力学匹配人工血管所用凝胶生物墨水及其制备方法，该凝胶生物墨水通过3D打印所得人工血管力学性能与人体血管力学匹配，血液相容性良好，可有效防止人工血管植入后容易出现血栓、再狭窄问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

提供一种3D打印力学匹配人工血管所用凝胶生物墨水，按质量份数计，包括3-7份甲基丙烯酸化明胶(GelMA)、2-4份明胶(Gelatin)、3-5份海藻酸钠(SA)、1-1.5份光引发剂和100份水。

按上述方案，所述光引发剂为I2958。

按上述方案，所述甲基丙烯酸化明胶取代度为78-88％。

提供一种上述3D打印力学匹配人工血管所用凝胶生物墨水的制备方法，包括以下步骤：

1)将光引发剂加入到水中，在60-80℃条件下避光搅拌，得光引发剂溶液；

2)将步骤1)所得光引发剂溶液降温至50-60℃，加入甲基丙烯酸化明胶，避光条件下搅拌溶解；继续加入明胶，充分搅拌混合；将反应液降温至35-45℃，加入海藻酸钠，充分混合后得混合凝胶；

3)将步骤2)所得混合凝胶在35-45℃条件进行超声振动，然后置于真空干燥箱中过夜，后置于35-45℃水浴锅静置2-3天，得3D打印力学匹配人工血管所用凝胶生物墨水。

按上述方案，所述步骤1)中，避光搅拌时间为20-40min。

按上述方案，甲基丙烯酸化明胶、明胶、海藻酸钠、光引发剂和水的质量比为：(3-7)：(2-4)：(3-5)：(1-1.5)：100。

按上述方案，所述步骤2)中，GelMA取代度为78-88％。优选取代度可以进一步提升成型后的降解、力学及生物相容性等性能。

按上述方案，所述步骤2)中，加入GelMA，避光条件下搅拌20-30min溶解；继续加入Gelatin，充分混合30-40min；将反应液降温至35-45℃，加入海藻酸钠，搅拌1-2h，充分混合后得混合凝胶。

按上述方案，所述步骤3)中，超声振动2-3次，每次20-30min。

按上述方案，所述步骤3)中，所得供3D打印凝胶置于4℃冰箱内密封保存备用。

提供一种3D打印力学匹配人工血管的制备方法，包括以下步骤：将上述凝胶生物墨水通过3D打印技术挤出打印成型至5-10％CaCl₂溶液中，后紫外光照成双交联水凝胶，得到复合水凝胶人工血管。

按上述方案，所述3D打印技术中打印参数为：墨水流速为4-6ml/min；Ca²⁺溶液流速为4-6ml/Min；针头大小为8-25G。可通过控制针头大小控制打印血管直径。

按上述方案，在CaCl₂溶液中浸泡时间不超过1h。

按上述方案，所述紫外光照为照射30-50s后，翻面再继续照射30-50s。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明提供一种凝胶生物墨水，其中GelMA与海藻酸钠可形成双交联的网状结构，再将明胶分子贯穿其中，形成致密的水凝胶交联网络；该凝胶生物墨水通过3D打印所得人工血管力学性能与人体血管力学匹配，血液相容性良好，可有效防止商用人工血管植入后容易出现血栓、再狭窄问题。

2.本发明提供一种凝胶生物墨水的制备方法，通过合理的加料顺序和参数优化，促进了凝胶之间的充分混合，得到均匀稳定的3D打印力学匹配人工血管所用凝胶生物墨水，制备过程简单，利于工业化应用。

3.本发明提供一种3D打印力学匹配人工血管的制备方法，通过紫外光激发GelMA中的C-C键断裂以及通过浸泡Ca²⁺溶液使得Ca²⁺作为连接藻酸盐分子的键桥形成双交联的网状结构，再将明胶分子贯穿其中，形成致密的水凝胶交联网络；所得小口径人工血管更为致密光滑，其力学性能满足机体对小口径人工血管的要求且管径光滑不易粘附血小板形成血栓。

附图说明

图1为实施例11制备所得复合水凝胶人工血管的三维光学显微镜结果图。

图2为实施例1-9中制备所得的圆柱形复合水凝胶的不同配比压缩模量试验结果。

图3为实施例1-9中制备所得圆柱形复合水凝胶正交试验各配比组分贡献结果。

图4为实施例11制备所得复合水凝胶人工血管的顺应性测试结果。

图5为实施例10制备所得复合水凝胶人工血管的凝血指数实验结果。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的实施方式作进一步解释说明，但具体实施例并不对本发明做任何限定。

实施例1-10

提供一种3D打印力学匹配人工血管所用凝胶生物墨水的制备方法，包括以下步骤：

1)称量1g光引发剂I2958加入到100ml超纯水中，在80℃水浴锅中避光搅拌30min，配制成1w/v％的光引发剂溶液；

2)将步骤1)所得光引发剂溶液冷却至50℃，加入甲基丙烯酸化明胶(GelMA)，避光条件下搅拌溶解30min；

3)待GelMA溶解后，加入明胶(Gelatin)，充分混合40min；

4)将步骤3)溶液冷却至37℃，加入海藻酸钠(SA)，手动搅拌30min后，放入菱形磁石搅拌1h，充分混合后转移至离心管；

5)将步骤4)所得凝胶在35-45℃水温下进行超声振动3次，每次30min；

6)将步骤5)所得凝胶置于真空干燥箱中过夜，后置于37℃水浴锅静置3天，即得凝胶生物墨水；置于4℃冰箱内密封保存备用；

将制备所得凝胶生物墨水通过圆柱状模具成型后泡入10％CaCl₂溶液中30min，后紫外光照正反各45s成双交联结构，得到待测成型水凝胶，进行压缩模量测试，结果如图2和3所示。

其中，实施例1-9的制备过程中，GelMA、Gelatin和海藻酸钠的用量分别如表1所示。

表1.实施例1-10中GelMA、Gelatin和海藻酸钠的用量

实施例	GelMA(g)	Gelatin(g)	海藻酸钠(g)
				1	3	2	3
2	3	3	4
				3	3	4	5
4	5	3	3
				5	5	4	4
6	5	2	5
				7	7	4	3
8	7	2	4
				9	7	3	5
10	5	3	4

图2为实施例1-9制得的待测成型水凝胶的压缩模量结果，图3为实施例1-9制得的待测成型水凝胶以压缩模量为基础，不同配比组分的贡献分布结果。因模量代表材料抵抗形变的能力，而本发明所制备的人工血管需要抵抗局部内环境下血流冲刷以及剪切带来的压力，所以对压缩模量有较高的要求。图中可以看出，GelMA以及SA的模量变化为依据其质量分数先增大后减小；Gelatin的模量变化依据质量分数递增且趋势逐渐平缓。

图5为实施例10制得的圆饼状复合水凝胶的凝血指数实验结果。凝血指数称BCl指数，是血液相容性评价的重要指标之一。由图5可得，该复合水凝胶抗凝血效果显著，与对照组相比，该复合水凝胶组分的BCl指数明显高于不含材料的对照组，表明该复合水凝胶血液相容性良好，有利于防止人工血管植入的血栓和再狭窄的出现。

实施例11

提供一种3D打印力学匹配人工血管的制备方法，包括以下步骤：

将实施例10制备所得凝胶生物墨水通过3D打印技术以墨水流速为5ml/Min、Ca²⁺溶液流速为3ml/Min挤出打印成型至10％CaCl₂溶液中20min，后紫外光照正反各45s成双交联水凝胶人工血管，其中针头为12G/22G，得到直径4mm的复合水凝胶人工血管。

图1为实施例11制备所得直径为4mm的人工血管三维光学显微镜拍摄图结果图。根据图中结果可以看出，打印制备的人工血管表面光滑且致密，人工血管内部孔径分布均匀，打印性能良好。

图4为实施例11制备所得直径为4mm的人工血管的动态顺应性结果，动态顺应性是血管壁的内在弹性特性，顺应性不匹配易造成人工血管内形成血栓，导致吻合口内膜异常增生。文献显示，人体隐静脉顺应性为0.7-5％/100mmHg。根据动态顺应性结果，可以看出该发明制备的复合水凝胶动态顺应性为8.41±0.31％/100mmHg，满足机体对植入人工血管顺应性的要求。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种3D打印力学匹配人工血管所用凝胶生物墨水，其特征在于，按质量份数计，包括3-7份甲基丙烯酸化明胶、2-4份明胶、3-5份海藻酸钠、1-1.5份光引发剂和100份水。

2.根据权利要求1所述的凝胶生物墨水，其特征在于，所述光引发剂为I2958。

3.根据权利要求1所述的凝胶生物墨水，其特征在于，所述甲基丙烯酸化明胶取代度为78-88％。

4.一种权利要求1-3任一项所述的3D打印力学匹配人工血管所用凝胶生物墨水的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2)将步骤1)所得光引发剂溶液降温至50-60℃，加入甲基丙烯酸化明胶，避光条件下搅拌溶解；继续加入明胶，充分搅拌混合；将反应液降温至35-45℃，加入海藻酸钠，充分搅拌混合后得混合凝胶；

3)将步骤2)所得混合凝胶在35-45℃条件下进行超声振动，然后置于真空干燥箱中过夜，后置于35-45℃水浴锅静置2-3天，得3D打印力学匹配人工血管所用凝胶生物墨水。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，甲基丙烯酸化明胶、明胶、海藻酸钠、光引发剂和水的质量比为：(3-7)：(2-4)：(3-5)：(1-1.5)：100。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，避光搅拌时间为20-40min；所述步骤2)中，加入甲基丙烯酸化明胶，避光条件下搅拌20-30min溶解；继续加入明胶，充分搅拌混合30-40min；将反应液降温至35-45℃，加入海藻酸钠，搅拌1-2h，充分混合后得混合凝胶；所述步骤3)中，超声振动2-3次，每次20-30min。

7.一种3D打印力学匹配人工血管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将权利要求1-3任一项所述的凝胶生物墨水通过3D打印技术挤出打印成型至5-10％CaCl₂溶液中，后紫外光照成双交联水凝胶，得到复合水凝胶人工血管。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述3D打印技术中打印参数为：墨水流速为4-6ml/min；Ca²⁺溶液流速为4-6ml/min；针头大小为8-25G。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在CaCl₂溶液中浸泡时间不超过1h。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述紫外光照为照射30-50s后，翻面再继续照射30-50s。