CN115429934B - 一种3d打印应变传感组织工程支架及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种3D打印应变传感组织工程支架及其制备方法，制备方法为：先将含丝素蛋白、丙烯酰胺、氧化细菌纤维素纳米纤维和水的分散液进行3D打印制得支架，在此过程中引发丝素蛋白发生交联反应，同时引发丙烯酰胺发生交联反应，再对支架进行后处理即得产品；分散液中，丝素蛋白与丙烯酰胺的质量比为1:15～18，氧化细菌纤维素纳米纤维的含量为1～2.5wt％；产品：包括双网络结构水凝胶及分散在双网络结构水凝胶中的氧化细菌纤维素纳米纤维；双网络结构水凝胶由丝素蛋白水凝胶网络和聚丙烯酰胺交联网络相互缠绕构成；本发明的方法简单，本发明的产品兼具较好的力学性能、应变传感性能和生物相容性。

Description

一种3D打印应变传感组织工程支架及其制备方法
技术领域
本发明属于生物材料技术领域，涉及一种3D打印应变传感组织工程支架及其制备方法。
背景技术
机体内由各种原因所致的缺损若用生物材料进行重建和修复，则能够克服组织供体有限，避免异体组织移植带来的免疫排斥、感染等问题。如果用于组织修复和重建的支架能够具有与缺损组织部位十分接近的结构与力学性能，则有望实现对不同组织部位的个性化修复。另外，由于人体各组织部位受到不同幅度和频率运动的影响，机体内对应部位的细胞和组织同样会感受到相应差异化的力学刺激，通常来讲，受到相关力学刺激后机体内组织的应变范围在0.1-100％之间。而一些受力明显组织(如骨组织、软骨组织、膝关节韧带、骨骼肌)的拉伸强度通常为0.8-25MPa(Journal of Bone and Joint Surgery,1980,62(7):1102-1117)，压缩强度为3-25MPa(Annals of Biomedical Engineering,2004,32:2-17)。但目前用于所述受力组织修复和重建的生物支架材料不能同时满足相应组织应变传感和力学性能的要求，并且传统的冷冻干燥、静电纺丝等方法所制备的支架材料存在结构功能较为单一的缺点。
3D打印作为一种新型的加工成型方式，具有可精确成型复杂结构、便于个性化定制和批量生产等优点，该技术能够根据患者的不同需求，快速精确地制备出个性化组织工程支架，进而较好地满足不同部位、不同缺损形状对组织工程支架外观形貌的需求。然而，现有的组织工程支架(包括3D打印支架)在实现组织修复功能的同时大都不能兼具在位微环境信号监测功能，例如无法获取在位关键力学刺激信号以用于指导后续修复材料或修复策略的优化。而兼具智能传感功能的组织修复支架材料的发展为组织微环境信号的在位监测提供了可能。
相对来讲，水凝胶材料具有较好的仿细胞外基质结构、且易于变形恢复、有望适用于促组织修复的同时进行体内应变等微环境信号的在位监测。然而，大部分水凝胶材料难以顺利通过3D打印技术制备力学性能较好的3D打印支架。例如人工合成的聚丙烯酰胺水凝胶具有较好的应变传感性能，但其无法进行3D打印。文献1(ACS Appl Mater Interfaces,2018,10(13):11204-12.)和文献2(多重交联海藻酸钠/聚丙烯酰胺高强度水凝胶的研究[D].西南交通大学,2018.)利用聚丙烯酰胺和海藻酸钠制备了聚丙烯酰胺/海藻酸钠双交联水凝胶，该水凝胶具有良好的应变传感性。然而，这类水凝胶由于质软、强度低(拉伸强度为0.4-0.5MPa，压缩强度为2MPa左右)，难以充当机体受力组织的修复材料。而且其预凝胶浆料粘度也较低，因而仅能通过纺丝对其成型，同样难以开展保真度较高的3D打印成型。
截至目前，国内外还未见相关研究方案制备出同时兼具较好力学性能、可打印性、应变传感性和生物相容性的组织工程支架材料，因此，开发一种3D打印应变传感组织工程支架及其制备方法，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种3D打印应变传感组织工程支架及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种3D打印应变传感组织工程支架，包括双网络结构水凝胶及分散在双网络结构水凝胶中的填料；
所述双网络结构水凝胶由丝素蛋白水凝胶网络和聚丙烯酰胺交联网络相互缠绕构成；
所述填料为表面带负电荷的氧化细菌纤维素纳米纤维；
所述双网络结构水凝胶中，所述丝素蛋白与所述聚丙烯酰胺的质量比为1:15～18；
所述3D打印应变传感组织工程支架中，所述填料的固含量为1～2.5wt％。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种3D打印应变传感组织工程支架，所述氧化细菌纤维素纳米纤维的平均直径为40～60nm，长径比大于100，聚合度为2000～8000，结晶度≥80％，弹性模量≥5GPa。
如上所述的一种3D打印应变传感组织工程支架，所述3D打印应变传感组织工程支架中，所述丝素蛋白的含量为1.7～1.9wt％，所述聚丙烯酰胺的含量为28.3～33.1wt％。
如上所述的一种3D打印应变传感组织工程支架，所述3D打印应变传感组织工程支架的断裂伸长率为120％～140％，拉伸强度为0.8～1.5MPa，压缩强度为8～40MPa，证明其具有优良的力学性能；传感灵敏度为0.7～1.2，证明其具有优良的应变传感性；L929细胞在其上培养7天后细胞存活率>90％，证明其具有优良的生物相容性；所述3D打印应变传感组织工程支架适用于监测5％～100％的拉伸形变，具有优异电阻响应性能，能辨别许多人体的信号(如颈部、手指、手腕、手肘和膝盖的关节运动)，能够满足典型受力组织修复的需求，3D打印应变传感组织工程支架无毒、细胞相容性好，有望在实现组织修复的同时在位监测修复组织微环境中的力学信号。
本发明还提供一种3D打印应变传感组织工程支架的制备方法，先将含丝素蛋白、丙烯酰胺、氧化细菌纤维素纳米纤维和水的分散液进行3D打印制得支架，在此过程中引发丝素蛋白发生交联反应，同时引发丙烯酰胺发生交联反应，再对支架进行后处理即得3D打印应变传感组织工程支架；
所述氧化细菌纤维素纳米纤维的表面带负电荷；
所述分散液中，所述丝素蛋白与所述丙烯酰胺的质量比为1:15～18，所述氧化细菌纤维素纳米纤维的含量为1～2.5wt％。
如上所述的一种3D打印应变传感组织工程支架的制备方法，所述氧化细菌纤维素纳米纤维的平均直径为40～60nm，长径比大于100，聚合度为2000～8000，结晶度≥80％，弹性模量≥5GPa；所述氧化细菌纤维素纳米纤维是次氯酸钠与四甲基六氢吡啶氧化物(TEMPO)/溴化钠体系氧化细菌纤维素获得的；目前细菌纤维素的氧化方法有TEMPO氧化法和高碘酸盐-亚氯酸盐氧化法两种，高碘酸盐-亚氯酸盐氧化法是将细菌纤维素的羟基氧化成相应的醛基(电中性)，不适用于本体系；本发明采用的是TEMPO氧化法，此氧化将生成大量的羧酸盐和醛基，形成的羧酸盐基团主要存在于细菌纤维素表面，纤维素微晶内部未发生氧化，TEMPO氧化后的细菌纤维素表面带负电。
如上所述的一种3D打印应变传感组织工程支架的制备方法，所述分散液的可打印性(Printability,Pr)参数为1.04±0.01(墨水的Pr值越趋近于1，代表墨水的可打印性越好)，3D打印时，实际打印线条直径与打印针头直径的比值为1.00～1.25，例如，3D打印时用直径410μm针头打印出来的线条宽度为410～512μm，说明墨水具有较好的形状保持度。
如上所述的一种3D打印应变传感组织工程支架的制备方法，所述引发丝素蛋白发生交联反应，同时引发丙烯酰胺发生交联反应是通过向分散液中加入过硫酸盐、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物，同时在3D打印过程中采用可见光照射3D打印线条实现的；现有技术中的丝素蛋白与聚丙烯酰胺的交联往往是通过“两步法”实现的，所需时间长、效率低，工艺复杂，本发明有效弥补了现有技术的不足。
如上所述的一种3D打印应变传感组织工程支架的制备方法，具体步骤如下：
(1)将丙烯酰胺溶于丝素蛋白溶液中，加入氧化细菌纤维素纳米纤维，混合均匀后，加入过硫酸盐、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物搅拌均匀制得分散液；
(2)在可见光照射下将分散液进行3D打印得到支架；
(3)将支架在pH值为7.2～7.4的PBS溶液中浸泡，再在支架的两端接上导线，即得3D打印应变传感组织工程支架。
如上所述的一种3D打印应变传感组织工程支架的制备方法，步骤(1)中，分散液中丝素蛋白的含量为1.7～1.9wt％；过硫酸盐的添加量为丙烯酰胺和丝素蛋白总质量的1.8～2.0wt％，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的添加量为丙烯酰胺质量的0.09～0.12wt％，氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物的添加量为丙烯酰胺和丝素蛋白总质量的0.02～0.022wt％；
步骤(2)中，3D打印的参数包括：针头内径300～500μm，针头移动速度8～12mm/s，挤出压力5～15kPa，线条间距1.8～2.2mm，两层线条之间夹角30～120°；支架可以为长方体、圆柱体、棱柱等简单立方体，也可以是半月板等复杂几何体，例如支架为长方体，长度为10～30mm，宽度为10～30mm，高度为2～10mm；可见光由白炽灯产生，白炽灯的功率为50～100W，白炽灯位于用于承载3D打印支架的基板的正上方5～15cm处；
步骤(3)中，浸泡的时间为24～36h。
本发明的原理如下：
本发明以丝素蛋白/丙烯酰胺双交联网络水凝胶为基体，以氧化细菌纤维素纳米纤维为填料(氧化细菌纤维素的平均直径40～60nm，其长径比大于100)，通过简单的“一步法”，并结合3D打印技术制备出兼具较好可打印性、应变传感性能和生物相容性的丝素蛋白基应变传感组织工程支架。具体形成和调控机理如下：当将一定浓度配比的丙烯酰胺、丝素蛋白溶液、氧化细菌纤维素纳米纤维通过外界机械力作用混合成均匀的分散液，然后将分散液放入3D打印机料筒中打印为设计好的几何形状，在氯化三(2,2’-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物(Ru)/过硫酸盐(此处以过硫酸钠SPS为例进行说明)引发体系中，仅通过可见光照射能够同时实现丝素蛋白的交联和丙烯酰胺单体的聚合交联，即通过“一步法”实现丝素蛋白/聚丙烯酰胺双网络结构水凝胶的制备，同时将均匀分散在物料中的氧化细菌纤维素原位嵌合到打印线条内部。双网络结构水凝胶的具体合成机理，如下反应公式：
(1)Ru的化合物吸收可见光形成激发态的金属配位体；
(2)不同RSF(丝素蛋白)分子链中的酪氨酸(即Tyr)与酪氨酸间发生交联反应形成而二酪氨酸键，进而形成丝素蛋白水凝胶网络；
(3)对于丙烯酰胺单体，以N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，经Ru催化、通过SPS引发聚合而成的聚丙烯酰胺交联网络；
聚丙烯酰胺是制备电阻式应变传感水凝胶的常用材料，其受到应力作用时，微观结构变化导致电阻发生改变，应变释放时又恢复到原来的状态，电阻也随之恢复，但单独的丙烯酰胺水凝胶强度较弱且无法3D打印。作为一类天然生物基材料，丝素蛋白具有优秀的生物相容性和可降解性，且便于加工、易于批量获取，因而成为了一类重要的生物材料被加以研究和开发，也成为了组织工程支架的理想构筑材料之一。本发明双网络水凝胶中丝素蛋白交联网络的引入较好地提升了材料的生物相容性和力学性能。此外，丝素蛋白与聚丙烯酰胺形成的双网络水凝胶含水量高(60～70％)、稳定性好、具有一定的耐盐性，这有利于其在生理环境中的应用。细菌纤维素纳米纤维分子链中含有许多的羟基，易于在分子内与分子间形成大量的氢键，并且结晶度≥80％，这导致了其具有优异的机械性能。除了具有优异的力学性能，细菌纤维素纳米纤维还具有巨大的比表面积、高持水性和良好的生物相容性，被氧化后(氧化细菌纤维素纳米纤维)带有带负电荷的羧基，增加了纤维之间的排斥力，从而能在水溶液中形成稳定的分散状态，因而也更容易和丝素蛋白/丙烯酰胺形成均匀浆料。在丝素蛋白和丙烯酰胺的混合液中加入带负电荷的氧化细菌纤维素纳米纤维可以用来显著提高丝素蛋白/丙烯酰胺墨水的可打印性和打印支架的力学性能，便于构建个性化的3D打印组织工程支架，同时也满足了典型受力组织对支架材料较高力学性能的要求。而且，体液中有大量无机盐，这些无机盐以离子形式进入于复合水凝胶的水中，离子的运动可增强复合水凝胶的传感性。离子传感性的强弱取决于水凝胶中的孔隙和离子的浓度。氧化细菌纤维素纳米纤维的加入可以增大复合水凝胶的孔径、利于无机离子的自由进出，带负电的氧化细菌纤维素纳米纤维还可吸附阳离子，这均使复合水凝胶的应变传感灵敏度有明显提高。
当丝素蛋白与丙烯酰胺的质量比为1:15～18时，制备的双网络水凝胶综合性能较优。由于氧化细菌纤维素纳米纤维仅能分散而不能溶解在水溶性丝素蛋白和丙烯酰胺的混合液中，随着氧化细菌纤维素纳米纤维的添加量的逐渐增多将会出现下述三种情况：
(1)当氧化细菌纤维素纳米纤维的添加量小于体系总质量的1wt％时，分散液呈现液态，浆料在针头处呈现为液滴状，所打印网格的线条会因为浆料的显著膨胀作用而变粗，线条之间所围成的区域逐渐被邻近的浆料所侵蚀，此条件下的预凝胶浆料的可打印性较差，不能形成完整和高保真度的打印支架；
(2)当氧化细菌纤维素纳米纤维的添加量为体系总质量的1～2.5wt％时，分散液粘度合适，挤出线条光滑，可打印性好，打印网格围成的区域相对比较规整，并且打印支架力学性能优异，断裂伸长率为120％～140％，可用于监测5％～100％的拉伸形变；此外，3D打印过程中的剪切力会促使细菌纤维素纳米纤维沿着打印路径排布，有序排布的细菌纤维素纳米纤维会进一步提高打印支架的力学性能，打印支架的拉伸强度为0.8～1.5MPa，压缩强度为8～40MPa，而且能够在打印线条表面形成具有仿生细胞外基质的纤维状取向结构，进一步提升材料的细胞和生物相容性，此类打印支架材料有望在实现组织修复的同时在位监测修复组织微环境中的力学信号；
与此同时，同单独的双网络丝素蛋白/丙烯酰胺水凝胶相比，加入氧化细菌纤维素纳米纤维还提升了丝素蛋白/丙烯酰胺双交联网络水凝胶的应变传感灵敏度，其具体原理在于生物体体液环境中含有大量离子(如：Ca2+、Cl-、Na+、PO4 3-)，氧化细菌纤维素纳米纤维的加入可以增大复合水凝胶的孔径、利于无机离子的运动，氧化细菌纤维素纳米纤维还具有负电性，周围能够吸附更多的阳离子，因此，该体系在模拟体液(PBS)环境下具有更好的离子导电性；
(3)当氧化细菌素纤维纳米纤维的添加量大于体系总质量的2.5wt％时，整个混合体系粘度的增加会导致混合不均匀，进而在3D打印中会堵塞料筒，且打印线条易断，因而3D打印效果差，且所形成材料的韧性和应变传感性能也明显变差，可检测的拉伸形变范围明显缩小。
综上，氧化细菌纤维素纳米纤维的添加量对分散液的可打印性和打印支架应变传感线的调控并非单调变化，恰当的氧化细菌纤维素纳米纤维的添加量在调节前述重要性能中起着至关重要的作用。本发明将适当的氧化细菌纤维素纳米纤维复合到丝素蛋白和丙烯酰胺的混合液中，再通过包括分散液的制备—3D打印—可见光固化—后处理的工艺流程，制得一种3D打印应变传感组织工程支架。恰当添加量的氧化细菌纤维素纳米纤维的复合可同时达到调控分散液可打印性和打印支架应变传感性和力学性能的目的。所制备的支架具有良好的力学性能、可打印性、应变传感性能和生物相容性，为开发应变传感组织工程支架奠定了坚实基础。
有益效果：
(1)本发明的一种3D打印应变传感组织工程支架及其制备方法，工艺简单，可控性好；
(2)本发明的一种3D打印应变传感组织工程支架，支架形状极易调整、并兼具较好的力学性能、应变传感性能和生物相容性；
(3)本发明的一种3D打印应变传感组织工程支架，有望用于体内实现典型受力组织再生修复的同时采集对应微环境中关键力学刺激信号以用于指导后续修复材料或修复策略的优化。
附图说明
图1为墨水可打印性参数计算公式中A和L的测量示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
以下各实施例和对比例涉及到的测试方法如下：
可打印性参数：对打印的栅格结构拍照，测量打印线条围成的封闭区域的周长和面积(图1)，进而计算墨水的可打印性，凝胶墨水的可打印性(Pr)定义为：
其中，如图1所示，A代表封闭区域的面积，L代表封闭区域的周长；
双网络结构水凝胶的平均孔径：利用扫描电子显微镜观察3D打印支架的孔径，具体地：将实施例或者对比例中浸泡过PBS水溶液的支架通过冷冻、液氮脆断、干燥，样品喷金后，在10kV的电压下观察并拍照；其中，孔尺寸利用Image Pro Plus 6.0软件在SEM图片上随机选取20个孔测得；
断裂伸长率：在实施例或对比例中，设置3D打印的尺寸参数，制得宽4.5mm、长30mm、厚1mm的打印支架，使用电子万能材料试验机INSTRON5969测试打印支架拉伸时的断裂伸长率，传感器1kN，夹距20mm，拉伸速率50mm/min；室温下测试，相对湿度(60±5)％；
拉伸强度：在实施例或对比例中，设置3D打印的尺寸参数，制得宽4.5mm、长30mm、厚1mm的打印支架，使用电子万能材料试验机INSTRON5969测试打印支架拉断时的强度，传感器1kN，夹距20mm，拉伸速率50mm/min；室温下测试，相对湿度(60±5)％；
压缩强度：在实施例或对比例中，设置3D打印的尺寸参数，制得宽15mm、长15mm、高5mm的打印支架，使用电子万能材料试验机INSTRON5969测试打印支架压缩到原来高度70％时的压缩强度，传感器1kN，压缩速率10mm/min；室温下测试，相对湿度(60±5)％；
传感灵敏度：在实施例或对比例中，设置3D打印的尺寸参数，制得宽4.5mm、长30mm、厚1mm的打印支架，然后取实施例或对比例中浸泡过PBS水溶液的打印支架，在设置电压U＝1V条件下，使用电化学工作站测试打印支架的在拉伸过程中的电流随时间的变化，根据欧姆定律计算对应的电阻(R)，根据公式(1)计算电阻的相对变化率(ΔR/R)；
其中，R和R0分别为对打印支架施加应变之后和施加应变之前的电阻；打印支架的应变灵敏度(Gauge factor,GF)根据公式(2)计算，其中ε是对打印支架施加的应变(应变是在在拉伸过程中测得的，计算公式为：(拉伸后的水凝胶的长度-原长度)/原长度)；
细胞存活率：在实施例或对比例中，设置3D打印的尺寸参数，制得直径15mm、高1mm的打印支架，将3个打印支架(n＝3)分别放置于24孔培养板的3个孔中，用钢环压住，用75vol％的乙醇分别浸泡打印支架2h对打印支架进行灭菌，除去乙醇后用PBS润洗样品3次，每次10min，之后，在每个孔的打印支架上接种1×104个L929细胞，在37℃、5％的CO2培养箱中培养一周，培养液每2天更换一次，7天后用钙黄绿素(Calcein-AM)和碘化丙啶(Propidium Iodide，PI)分别对材料上的活细胞和死细胞染色，荧光显微镜下观察各支架中的活/死细胞情况并拍照，活细胞将被染为绿色、死细胞将被染为红色，用Image ProPlus 6.0软件分别计算各支架上活/死细胞的数目并计算细胞在各个支架上培养7天后存活率：细胞存活率＝绿色细胞数/(绿色细胞数+红色细胞数)，取计算得到的3个存活率的平均值，即为L929细胞在打印支架上培养7天后的细胞存活率。
以下各实施例和对比例中涉及到的氧化细菌纤维素纳米纤维的制备方法如下：
(1)称取100g的湿态的细菌纤维(厂家：海南椰国食品有限公司)，加入200mL的去离子水，用均质机使其均匀分散，制得BCNFs的悬浮液；
(2)称取0.032g的TEMPO、0.2g的NaBr加入到20mL的水中，水浴超声使其完全溶解，制得TEMPO和NaBr的混合溶液；
(3)将步骤(2)制得的TEMPO和NaBr的混合溶液加入到步骤(1)制得的BCNFs的悬浮液中，停留1min，加NaOH水溶液调节其pH值接近10；
(4)量取7.8mL的NaClO加入到反应体系中，在1min内加完，再加入少量HCl水溶液调节体系pH至10.5，接着开始计时，反应1h后，加入HCl溶液调节体系的pH至7，终止反应，然后经过离心、加水洗涤、再离心、再洗涤，反复5～6次，获得氧化细菌纤维素纳米纤维；
最终制得的氧化细菌纤维素纳米纤维的表面带负电荷。
以下各实施例和对比例中涉及到的丝素蛋白的制备方法如下：
(1)将干净的桑蚕茧除去蚕蛹(厂家：浙江桐乡)，然后手工剥成薄层；
(2)称取一定质量剥好的蚕茧，在0.5wt％的碳酸钠水溶液中煮沸30min，然后用去离子水搓洗干净，再在0.5wt％的碳酸钠溶液中煮沸30min，将脱胶的蚕丝搓洗干净后放在5℃的条件下风吹过夜至质量为原蚕茧质量的70％；
(3)取一定量的步骤(2)过夜后的脱胶丝，用9.0mol/L的溴化锂溶液(溶剂为水)在40℃水浴中恒温溶解2h，制得混合溶液；其中，脱胶丝与溴化锂溶液的质量体积比为1g:10mL；
(4)待混合溶液冷却后，向混合溶液中加入1.5倍的去离子水稀释，再经过离心、抽滤、透析获得低浓度的丝素蛋白水溶液，冷冻干燥后得到丝素蛋白粉末。
实施例1
一种3D打印应变传感组织工程支架的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料的准备；
氧化细菌纤维素纳米纤维；
丙烯酰胺；
丝素蛋白水溶液：将丝素蛋白溶于水中制得；
过硫酸盐：过硫酸钠；
N,N’-亚甲基双丙烯酰胺；
氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物；
(2)将丙烯酰胺溶于丝素蛋白水溶液中，加入氧化细菌纤维素纳米纤维，混合均匀后，加入过硫酸盐、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物搅拌均匀制得分散液；
其中，分散液中，丝素蛋白的含量为1.7wt％，氧化细菌纤维素纳米纤维的含量为1wt％，丝素蛋白与丙烯酰胺的质量比为1:17；过硫酸盐的添加量为丙烯酰胺和丝素蛋白总质量的1.8wt％；N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的添加量为丙烯酰胺质量的0.09wt％；氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物的添加量为丙烯酰胺和丝素蛋白总质量的0.02wt％；
制得的分散液的可打印性参数为1.04±0.01，3D打印时，实际打印线条直径与打印针头直径的比值为1.02；
(3)在功率为50W的白炽灯产生的可见光下，将分散液进行3D打印得到支架；
其中，3D打印的参数为：针头内径300μm，针头移动速度12mm/s，挤出压力5kPa，线条间距2.2mm，两层线条之间夹角30°；白炽灯位于用于承载3D打印支架的基板的正上方5cm处；
(4)将支架在pH值为7.2～7.4的PBS水溶液中浸泡24h，再在支架的两端接上导线，即得3D打印应变传感组织工程支架。
制得的3D打印应变传感组织工程支架，包括双网络结构水凝胶及分散在双网络结构水凝胶中的氧化细菌纤维素纳米纤维；双网络结构水凝胶由丝素蛋白水凝胶网络和聚丙烯酰胺交联网络相互缠绕构成，双网络结构水凝胶的平均孔径为10μm；3D打印应变传感组织工程支架的断裂伸长率为137％，拉伸强度为0.8MPa，压缩强度为8MPa，传感灵敏度为0.75，L929细胞在其上培养7天后细胞存活率为91.2％。
对比例1
一种3D打印组织工程支架的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于对比例1中的步骤(2)中，没有加入氧化细菌纤维素纳米纤维。
无法通过3D打印，制得组织工程支架，且制得的产物的传感灵敏度为0.5，L929细胞在制得的产物上培养7天后细胞存活率为85％。
与实施例1相比，对比例1无法进行3D打印且产物的传感灵敏度和生物相容性较差，这是因为丙烯酰胺和丝素蛋白分散液是牛顿流体，粘度不受3D打印过程中剪切速率的影响，不能3D打印；没有加入生物相容性好且带负电的氧化细菌纤维素纳米纤维，导致材料的传感灵敏度和生物相容性较差。
对比例2
一种3D打印组织工程支架的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于对比例2中的步骤(2)中，分散液中，氧化细菌纤维素纳米纤维的含量为5wt％。
3D打印效果差，线条不连贯，制得的3D打印组织工程支架的断裂伸长率为20％，拉伸强度为0.3MPa，压缩强度为0.7MPa，传感灵敏度为0.8，L929细胞在其上培养7天后细胞存活率为90％。
与实施例1相比，对比例2的可打印性、力学性能远不如实施例1，这是因为当氧化细菌素纤维纳米纤维的添加量大于体系总质量的2.5wt％时，整个混合体系粘度的增加会导致混合不均匀，进而在3D打印中会堵塞料筒，且打印线条易断，因而3D打印效果差，且所形成材料的韧性也明显变差，可检测的拉伸形变范围明显缩小。
对比例3
一种3D打印组织工程支架的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于步骤(1)中准备的不是氧化细菌纤维素纳米纤维，而是未氧化的细菌纤维素纳米纤维(即湿态的细菌纤维，厂家：海南椰国食品有限公司)。
虽勉强可以打印，但打印效果差，线条不连贯，制得的3D打印组织工程支架的断裂伸长率为10％，拉伸强度为0.1MPa，压缩强度为0.4MPa，传感灵敏度为0.5，L929细胞在其上培养7天后细胞存活率为90％。
与实施例1相比，对比例3的可打印性、力学性能、传感灵敏度远不如实施例1，这是因为未氧化的细菌纤维素纳米纤维会相互缠绕，在3D打印过程中堵塞针头，导致打印线条断断续续，进而会使制得的3D打印组织工程支架结构破碎、力学性能差；并且未氧化的细菌纤维素纳米纤维电中性、不能提高支架的离子导电性，所以支架的传感灵敏度较低。
对比例4
一种3D打印组织工程支架的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于分散液中没有丝素蛋白，即步骤(2)将丙烯酰胺溶于水中，没有溶于丝素蛋白水溶液中。
制得的分散液的可打印性参数为1.16±0.02，3D打印时，实际打印线条直径与打印针头直径的比值为1.30；
制得的3D打印组织工程支架包括聚丙烯酰胺交联形成的水凝胶网络；断裂伸长率为110％，拉伸强度为0.8MPa，压缩强度为3MPa，传感灵敏度为0.9，L929细胞在其上培养7天后细胞存活率为70％。
与实施例1相比，对比例4力学强度较差、生物相容性较差。这是因为对比例4只有丙烯酰胺形成的单一网络结构，其结构不如双网络结构稳定，因此其强度较差；丝素蛋白生物相容性好、因而加入丝素蛋白的实施例1生物相容性更好。
对比例5
一种3D打印组织工程支架的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于步骤(2)中，丝素蛋白与丙烯酰胺的质量比不是1:17，而是3:15。
制得的3D打印组织工程支架的断裂伸长率为30％，拉伸强度为0.6MPa，压缩强度为2MPa，传感灵敏度为0.6，L929细胞在其上培养7天后细胞存活率为92％。
与实施例1相比，对比例5的力学性能、传感灵敏度远不如实施例1，这是因为丝素蛋白相较于聚丙烯酰胺材料的柔韧性较差、电阻较大，其大量添加，会明显降低支架的韧性和传感性。
实施例2
一种3D打印应变传感组织工程支架的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料的准备；
氧化细菌纤维素纳米纤维；
丙烯酰胺；
丝素蛋白水溶液：将丝素蛋白溶于水中制得；
过硫酸盐：过硫酸钠；
N,N’-亚甲基双丙烯酰胺；
氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物；
(2)将丙烯酰胺溶于丝素蛋白水溶液中，加入氧化细菌纤维素纳米纤维，混合均匀后，加入过硫酸盐、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物搅拌均匀制得分散液；
其中，分散液中，丝素蛋白的含量为1.7wt％，氧化细菌纤维素纳米纤维的含量为1.3wt％，丝素蛋白与丙烯酰胺的质量比为1:15；过硫酸盐的添加量为丙烯酰胺和丝素蛋白总质量的1.8wt％；N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的添加量为丙烯酰胺质量的0.1wt％；氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物的添加量为丙烯酰胺和丝素蛋白总质量的0.02wt％；
制得的分散液的可打印性参数为1.04±0.01，3D打印时，实际打印线条直径与打印针头直径的比值为1.08；
(3)在功率为60W的白炽灯产生的可见光下，将分散液进行3D打印得到支架；
其中，3D打印的参数为：针头内径300μm，针头移动速度12mm/s，挤出压力6kPa，线条间距2.2mm，两层线条之间夹角60°；白炽灯位于用于承载3D打印支架的基板的正上方7cm处；
(4)将支架在pH值为7.2～7.4的PBS水溶液中浸泡26h，再在支架的两端接上导线，即得3D打印应变传感组织工程支架。
制得的3D打印应变传感组织工程支架，包括双网络结构水凝胶及分散在双网络结构水凝胶中的氧化细菌纤维素纳米纤维；双网络结构水凝胶由丝素蛋白水凝胶网络和聚丙烯酰胺交联网络相互缠绕构成，双网络结构水凝胶的平均孔径为12μm；3D打印应变传感组织工程支架的断裂伸长率为135％，拉伸强度为1MPa，压缩强度为17MPa，传感灵敏度为0.78，L929细胞在其上培养7天后细胞存活率为92.5％。
实施例3
一种3D打印应变传感组织工程支架的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料的准备；
氧化细菌纤维素纳米纤维；
丙烯酰胺；
丝素蛋白水溶液：将丝素蛋白溶于水中制得；
过硫酸盐：过硫酸胺；
N,N’-亚甲基双丙烯酰胺；
氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物；
(2)将丙烯酰胺溶于丝素蛋白水溶液中，加入氧化细菌纤维素纳米纤维，混合均匀后，加入过硫酸盐、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物搅拌均匀制得分散液；
其中，分散液中，丝素蛋白的含量为1.8wt％，氧化细菌纤维素纳米纤维的含量为1.6wt％，丝素蛋白与丙烯酰胺的质量比为1:16；过硫酸盐的添加量为丙烯酰胺和丝素蛋白总质量的1.9wt％；N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的添加量为丙烯酰胺质量的0.11wt％；氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物的添加量为丙烯酰胺和丝素蛋白总质量的0.021wt％；
制得的分散液的可打印性参数为1.04±0.01，3D打印时，实际打印线条直径与打印针头直径的比值为1.2；
(3)在功率为70W的白炽灯产生的可见光下，将分散液进行3D打印得到支架；
其中，3D打印的参数为：针头内径400μm，针头移动速度10mm/s，挤出压力8kPa，线条间距2mm，两层线条之间夹角60°；白炽灯位于用于承载3D打印支架的基板的正上方9cm处；
(4)将支架在pH值为7.2～7.4的PBS水溶液中浸泡28h，再在支架的两端接上导线，即得3D打印应变传感组织工程支架。
制得的3D打印应变传感组织工程支架，包括双网络结构水凝胶及分散在双网络结构水凝胶中的氧化细菌纤维素纳米纤维；双网络结构水凝胶由丝素蛋白水凝胶网络和聚丙烯酰胺交联网络相互缠绕构成，双网络结构水凝胶的平均孔径为15μm；3D打印应变传感组织工程支架的断裂伸长率为133％，拉伸强度为1.1MPa，压缩强度为22MPa，传感灵敏度为0.82，L929细胞在其上培养7天后细胞存活率为92.6％。
实施例4
一种3D打印应变传感组织工程支架的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料的准备；
氧化细菌纤维素纳米纤维；
丙烯酰胺；
丝素蛋白水溶液：将丝素蛋白溶于水中制得；
过硫酸盐：过硫酸胺；
N,N’-亚甲基双丙烯酰胺；
氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物；
(2)将丙烯酰胺溶于丝素蛋白水溶液中，加入氧化细菌纤维素纳米纤维，混合均匀后，加入过硫酸盐、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物搅拌均匀制得分散液；
其中，分散液中，丝素蛋白的含量为1.8wt％，氧化细菌纤维素纳米纤维的含量为1.9wt％，丝素蛋白与丙烯酰胺的质量比为1:17；过硫酸盐的添加量为丙烯酰胺和丝素蛋白总质量的1.9wt％；N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的添加量为丙烯酰胺质量的0.11wt％；氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物的添加量为丙烯酰胺和丝素蛋白总质量的0.021wt％；
制得的分散液的可打印性参数为1.04±0.01，3D打印时，实际打印线条直径与打印针头直径的比值为1.16；
(3)在功率为80W的白炽灯产生的可见光下，将分散液进行3D打印得到支架；
其中，3D打印的参数为：针头内径400μm，针头移动速度10mm/s，挤出压力10kPa，线条间距2mm，两层线条之间夹角90°；白炽灯位于用于承载3D打印支架的基板的正上方11cm处；
(4)将支架在pH值为7.2～7.4的PBS水溶液中浸泡30h，再在支架的两端接上导线，即得3D打印应变传感组织工程支架。
制得的3D打印应变传感组织工程支架，包括双网络结构水凝胶及分散在双网络结构水凝胶中的氧化细菌纤维素纳米纤维；双网络结构水凝胶由丝素蛋白水凝胶网络和聚丙烯酰胺交联网络相互缠绕构成，双网络结构水凝胶的平均孔径为16μm；3D打印应变传感组织工程支架的断裂伸长率为129％，拉伸强度为1.2MPa，压缩强度为26MPa，传感灵敏度为1.03，L929细胞在其上培养7天后细胞存活率为93.1％。
实施例5
一种3D打印应变传感组织工程支架的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料的准备；
氧化细菌纤维素纳米纤维；
丙烯酰胺；
丝素蛋白水溶液：将丝素蛋白溶于水中制得；
过硫酸盐：过硫酸钾；
N,N’-亚甲基双丙烯酰胺；
氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物；
(2)将丙烯酰胺溶于丝素蛋白水溶液中，加入氧化细菌纤维素纳米纤维，混合均匀后，加入过硫酸盐、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物搅拌均匀制得分散液；
其中，分散液中，丝素蛋白的含量为1.9wt％，氧化细菌纤维素纳米纤维的含量为2.2wt％，丝素蛋白与丙烯酰胺的质量比为1:17；过硫酸盐的添加量为丙烯酰胺和丝素蛋白总质量的2wt％；N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的添加量为丙烯酰胺质量的0.12wt％；氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物的添加量为丙烯酰胺和丝素蛋白总质量的0.022wt％；
制得的分散液的可打印性参数为1.04±0.01，3D打印时，实际打印线条直径与打印针头直径的比值为1.22；
(3)在功率为90W的白炽灯产生的可见光下，将分散液进行3D打印得到支架；
其中，3D打印的参数为：针头内径500μm，针头移动速度8mm/s，挤出压力12kPa，线条间距1.8mm，两层线条之间夹角90°；白炽灯位于用于承载3D打印支架的基板的正上方13cm处；
(4)将支架在pH值为7.2～7.4的PBS水溶液中浸泡33h，再在支架的两端接上导线，即得3D打印应变传感组织工程支架。
制得的3D打印应变传感组织工程支架，包括双网络结构水凝胶及分散在双网络结构水凝胶中的氧化细菌纤维素纳米纤维；双网络结构水凝胶由丝素蛋白水凝胶网络和聚丙烯酰胺交联网络相互缠绕构成，双网络结构水凝胶的平均孔径为17μm；3D打印应变传感组织工程支架的断裂伸长率为126％，拉伸强度为1.4MPa，压缩强度为34MPa，传感灵敏度为1.15，L929细胞在其上培养7天后细胞存活率为93.4％。
实施例6
一种3D打印应变传感组织工程支架的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料的准备；
氧化细菌纤维素纳米纤维；
丙烯酰胺；
丝素蛋白水溶液：将丝素蛋白溶于水中制得；
过硫酸盐：过硫酸钾；
N,N’-亚甲基双丙烯酰胺；
氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物；
(2)将丙烯酰胺溶于丝素蛋白水溶液中，加入氧化细菌纤维素纳米纤维，混合均匀后，加入过硫酸盐、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物搅拌均匀制得分散液；
其中，分散液中，丝素蛋白的含量为1.9wt％，氧化细菌纤维素纳米纤维的含量为2.5wt％，丝素蛋白与丙烯酰胺的质量比为1:18；过硫酸盐的添加量为丙烯酰胺和丝素蛋白总质量的2wt％；N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的添加量为丙烯酰胺质量的0.12wt％；氯化三(2,2-联吡啶)钌(Ⅱ)六水合物的添加量为丙烯酰胺和丝素蛋白总质量的0.022wt％；
制得的分散液的可打印性参数为1.04±0.01，3D打印时，实际打印线条直径与打印针头直径的比值为1.25；
(3)在功率为100W的白炽灯产生的可见光下，将分散液进行3D打印得到支架；
其中，3D打印的参数为：针头内径500μm，针头移动速度8mm/s，挤出压力15kPa，线条间距1.8mm，两层线条之间夹角120°；白炽灯位于用于承载3D打印支架的基板的正上方15cm处；
(4)将支架在pH值为7.2～7.4的PBS水溶液中浸泡36h，再在支架的两端接上导线，即得3D打印应变传感组织工程支架。
制得的3D打印应变传感组织工程支架，包括双网络结构水凝胶及分散在双网络结构水凝胶中的氧化细菌纤维素纳米纤维；双网络结构水凝胶由丝素蛋白水凝胶网络和聚丙烯酰胺交联网络相互缠绕构成，双网络结构水凝胶的平均孔径为20μm；3D打印应变传感组织工程支架的断裂伸长率为122％，拉伸强度为1.5MPa，压缩强度为40MPa，传感灵敏度为1.2，L929细胞在其上培养7天后细胞存活率为93.6％。

Claims (7)

1.一种3D打印应变传感组织工程支架，其特征在于，包括双网络结构水凝胶及分散在双网络结构水凝胶中的填料；
所述双网络结构水凝胶由丝素蛋白水凝胶网络和聚丙烯酰胺交联网络相互缠绕构成；
所述填料为表面带负电荷的氧化细菌纤维素纳米纤维；所述氧化细菌纤维素纳米纤维的平均直径为40~60nm，长径比大于100，聚合度为2000~8000，结晶度≥80%，弹性模量≥5GPa；
所述双网络结构水凝胶中，所述丝素蛋白与所述聚丙烯酰胺的质量比为1:15~18；
所述3D打印应变传感组织工程支架中，所述填料的固含量为1~2.5wt%，所述丝素蛋白的含量为1.7~1.9wt%。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印应变传感组织工程支架，其特征在于，所述3D打印应变传感组织工程支架的断裂伸长率为120%~140%，拉伸强度为0.8~1.5MPa，压缩强度为8~40MPa，传感灵敏度为0.7~1.2，L929细胞在其上培养7天后细胞存活率>90%。
3.一种3D打印应变传感组织工程支架的制备方法，其特征在于，先将含丝素蛋白、丙烯酰胺、氧化细菌纤维素纳米纤维和水的分散液进行3D打印制得支架，在此过程中引发丝素蛋白发生交联反应，同时引发丙烯酰胺发生交联反应，再对支架进行后处理即得3D打印应变传感组织工程支架；
所述氧化细菌纤维素纳米纤维的表面带负电荷；所述氧化细菌纤维素纳米纤维的平均直径为40~60nm，长径比大于100，聚合度为2000~8000，结晶度≥80%，弹性模量≥5GPa；所述氧化细菌纤维素纳米纤维是次氯酸钠与四甲基六氢吡啶氧化物/溴化钠体系氧化细菌纤维素获得的；
所述分散液中，所述丝素蛋白与所述丙烯酰胺的质量比为1:15~18，所述氧化细菌纤维素纳米纤维的含量为1~2.5wt%；
所述3D打印应变传感组织工程支架中，所述丝素蛋白的含量为1.7~1.9wt%。
4.根据权利要求3所述的一种3D打印应变传感组织工程支架的制备方法，其特征在于，所述分散液的可打印性参数为1.04±0.01，3D打印时，实际打印线条直径与打印针头直径的比值为1.00~1.25。
5.根据权利要求3所述的一种3D打印应变传感组织工程支架的制备方法，其特征在于，所述引发丝素蛋白发生交联反应，同时引发丙烯酰胺发生交联反应是通过向分散液中加入过硫酸盐、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、氯化三（2, 2-联吡啶）钌（Ⅱ）六水合物，同时在3D打印过程中采用可见光照射3D打印线条实现的。
6.根据权利要求5所述的一种3D打印应变传感组织工程支架的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）将丙烯酰胺溶于丝素蛋白溶液中，加入氧化细菌纤维素纳米纤维，混合均匀后，加入过硫酸盐、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、氯化三（2, 2-联吡啶）钌（Ⅱ）六水合物搅拌均匀制得分散液；
（2）在可见光照射下将分散液进行3D打印得到支架；
（3）将支架在pH值为7.2~7.4的PBS溶液中浸泡，再在支架的两端接上导线，即得3D打印应变传感组织工程支架。
7.根据权利要求6所述的一种3D打印应变传感组织工程支架的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，分散液中丝素蛋白的含量为1.7~1.9wt%；过硫酸盐的添加量为丙烯酰胺和丝素蛋白总质量的1.8~2.0wt%，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的添加量为丙烯酰胺质量的0.09~0.12wt%，氯化三（2, 2-联吡啶）钌（Ⅱ）六水合物的添加量为丙烯酰胺和丝素蛋白总质量的0.02~0.022wt%；
步骤（2）中，3D打印的参数包括：针头内径300~500μm，针头移动速度8~12mm/s，挤出压力5~15kPa，线条间距1.8~2.2mm，两层线条之间夹角30~120°；可见光由白炽灯产生，白炽灯的功率为50~100W，白炽灯位于用于承载3D打印支架的基板的正上方5~15cm处；
步骤（3）中，浸泡的时间为24~36h。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106267370A (zh) * 2016-08-16 2017-01-04 东华大学 丝素蛋白/纤维素3d打印墨水
CN108794771A (zh) * 2018-06-25 2018-11-13 华中科技大学 双网络交联纤维素/丝素蛋白高强度水凝胶及其制备与应用
CN109180988A (zh) * 2018-08-27 2019-01-11 武汉理工大学 一种功能化纳米纤维素水凝胶及其制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106267370A (zh) * 2016-08-16 2017-01-04 东华大学 丝素蛋白/纤维素3d打印墨水
CN108794771A (zh) * 2018-06-25 2018-11-13 华中科技大学 双网络交联纤维素/丝素蛋白高强度水凝胶及其制备与应用
CN109180988A (zh) * 2018-08-27 2019-01-11 武汉理工大学 一种功能化纳米纤维素水凝胶及其制备方法

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