CN117343255A - 一种丝胶蛋白光固化生物墨水及其应用 - Google Patents

一种丝胶蛋白光固化生物墨水及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN117343255A
CN117343255A CN202311420847.0A CN202311420847A CN117343255A CN 117343255 A CN117343255 A CN 117343255A CN 202311420847 A CN202311420847 A CN 202311420847A CN 117343255 A CN117343255 A CN 117343255A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sericin
printing
ink
ser
glycidyl methacrylate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202311420847.0A
Other languages
English (en)
Inventor
张骏
王宣文
王卉
张克勤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou University
Original Assignee
Suzhou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou University filed Critical Suzhou University
Priority to CN202311420847.0A priority Critical patent/CN117343255A/zh
Publication of CN117343255A publication Critical patent/CN117343255A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F299/00—Macromolecular compounds obtained by interreacting polymers involving only carbon-to-carbon unsaturated bond reactions, in the absence of non-macromolecular monomers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B33Y70/10—Composites of different types of material, e.g. mixtures of ceramics and polymers or mixtures of metals and biomaterials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F2/00—Processes of polymerisation
    • C08F2/44—Polymerisation in the presence of compounding ingredients, e.g. plasticisers, dyestuffs, fillers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F2/00—Processes of polymerisation
    • C08F2/46—Polymerisation initiated by wave energy or particle radiation
    • C08F2/48—Polymerisation initiated by wave energy or particle radiation by ultraviolet or visible light
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08H—DERIVATIVES OF NATURAL MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08H1/00—Macromolecular products derived from proteins
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K5/00—Use of organic ingredients
    • C08K5/36—Sulfur-, selenium-, or tellurium-containing compounds
    • C08K5/41—Compounds containing sulfur bound to oxygen
    • C08K5/42—Sulfonic acids; Derivatives thereof

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Polymerisation Methods In General (AREA)

Abstract

本发明涉及一种丝胶蛋白光固化生物墨水及其应用。本发明提供了一种丝胶蛋白光固化生物墨水，包括甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝胶；所述甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝胶通过甲基丙烯酸缩水甘油酯在丝胶溶液中反应得到。本发明在丝胶提取后使用GMA进行改性，并精简一步冻干流程，采用连续透析的方式提高透析效率。同时GMA相较于MA改性对丝胶影响较小，水溶性保持较好。本发明采用的工艺流程和改性方法显著提高了Ser‑MA材料的制备效率和稳定性，且后续测试表明本方法制备的Ser‑MA材料强度更高，少量墨水即可达到预期打印精度。同时经过后续墨水配比和打印参数的调节，可实现丝胶蛋白DLP快速打印高精度模型。

Description

一种丝胶蛋白光固化生物墨水及其应用
技术领域
本发明涉及生物技术领域，尤其是指一种丝胶蛋白光固化生物墨水及其应用。
背景技术
生物3D打印技术能将聚合物、生物大分子等液体墨水进行精确的自定义组装，固化成复杂的三维结构固体(如水凝胶)。在3D打印技术中，墨水与打印方法是结构成型精度和准确性的关键影响因素。墨水配比影响打印体精度和成型结构的力学性能；同时打印方法决定打印速度的快慢，也对打印体的精度与强度有一定影响。在3D打印方法上，目前主要分为喷墨打印，挤出式打印与光固化打印三种类型。喷墨式打印主要应用于二维结构成型，且材料上有较大限制，更多使用流动性和成型性良好的树脂材料以及金属颗粒材料。挤出式打印是用气泵或者螺旋杆来挤出打印墨水，再利用温度或光照等交联方法成型，是一种线成型技术。这种技术对打印过程中墨水的流变性能有严格要求，且对材料的自支撑性要求高。
光固化打印是利用光源激发打印墨水进行光交联的技术手段。光固化打印发展迅速，主要分类有立体光固化成型SLA，数字光处理DLP和计算机轴向光刻成型CAL。其中立体光固化成型SLA是利用点光源扫描打印墨水实现打印过程，打印速度较慢。计算机轴向光刻成型CAL是利用CT断层扫描技术将设计的打印体的不同面投影到墨水池中实现聚合，是一种立体成型技术。但复杂的光学通路对墨水种类要求较高，应用范围小，且成型的精度较低。而数字光处理DLP是利用微镜对光源选择性反射到墨水池实现打印体的分层打印，DLP打印属于面成型技术，打印速度快，且打印过程对墨水流变要求低，可调节参数广，打印精度高，适用墨水种类多。DLP打印这种高精度，可定义形貌的特性使其在生物医药领域如载药支架和组织修复上具有实现结构控制药物缓释，结构仿生和提升细胞相容性等优势。同时，在可穿戴传感领域中，DLP打印的可定义形貌的特点也增加了传感器在三维方向表达的渠道。
光固化打印墨水一般由可聚合的低聚物与光引发剂组成，有时也可引入光吸收剂以提高光学精度。墨水打印过程中的聚合分为三个步骤：1)光源激发光引发剂进入激发态高能粒子；2)高能粒子进攻不饱和键；3)不饱和键之间聚合形成共价键交联。光固化可聚合的低聚物是打印的主体交联部分，一般可分为天然材料和合成材料。合成材料分子量可控且可接枝光交联基团含量高，分子式简单，所以打印精度高，成形体力学强度高且材料适用范围广。但合成材料的生物相容性差，可极化基团少，功能性低，限制了打印体的应用。常见的光固化打印合成材料包括聚乙烯二醇而丙烯酸酯(PEGDA)，聚碳酸酯丙烯酸酯极其衍生物等。相比之下，天然材料分子量不可控且分布范围广，接枝光交联基团含量少，分子式复杂，所以打印精度与强度较合成材料低。但天然材料的生物相容性通常较好，且可极化基团多，功能性强，打印体应用范围广。常见的光固化打印天然材料包括甲基丙烯酸明胶(Gel-MA)，硫醇-烯明胶，丝素蛋白等。
在光固化墨水材料中，合成材料由于固有的结构分子式和低极化基团数量导致打印体应用极大地受限于后续功能物的引入，而天然材料克服了功能性低的缺点，但是打印精度仍需提高。其中甲基丙烯酸明胶和丝素蛋白等常见材料研究较为广泛，而作为丝绸工业的副产品丝胶在光固化打印方面探索较少。
丝胶蛋白(SS)是包覆在丝素长丝外的胶状蛋白层，通常提取自蚕茧或蚕丝脱胶工艺的废水中，是丝绸工业的副产品。随着对丝胶的研究深入，其抗氧化性，抗紫外线，消炎抗菌性和低免疫性等优点逐渐使丝胶成为一种有潜力的多功能天然生物材料，在医美(防晒)，食品保鲜(可食用保鲜膜)，组织工程(植入支架，载药凝胶，骨再生)，电极涂层(锂电池均匀锂枝晶)等领域发挥重要作用。丝胶蛋白作为生物大分子拥有较多的极性基团如羟基，羧基，氨基等，可以接枝不同的功能性基团。在光交联基团的选择上目前主要有双键自由基类(甲基丙烯酰胺MA，甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA)，硫醇点击化学类和酪氨酸二聚。其中硫醇点击对接枝物种类要求高，酪氨酸二聚光交联时间过长，相比之下双键自由基接枝方法适用性更好，效率更高。其中MA与GMA主要接枝在丝胶的氨基、羟基与羧基上，得到甲基丙烯酰化丝胶蛋白(Ser-MA)，适用于光固化打印技术。但结构上MA缺少亲水基团，在改性后易改变丝胶的溶解性，GMA富含亲水基团，在改性后基本不改变丝胶的溶解性。并且目前较多的工艺采用两步冻干的方式，流程繁琐。目前对Ser-MA的研究多停留在挤出式水凝胶或光固化打印二维结构，缺乏对Ser-MA材料三维结构成型，特别是高精度复杂结构成型的系统性研究。
专利CN115444983A提出了一种鲟鱼软骨脱细胞基质/丝胶蛋白生物墨水及其制备方法，甲基丙烯酸酐修饰丝胶蛋白上的羟基和氨基，得甲基丙烯酰化丝胶蛋白；甲基丙烯酸缩水甘油酯修饰鲟鱼软骨脱细胞基质上的羟基和氨基，得甲基丙烯酸缩水甘油酯改性鲟鱼软骨脱细胞基质；甲基丙烯酰化丝胶蛋白、甲基丙烯酸缩水甘油酯改性鲟鱼软骨脱细胞基质与光引发剂溶液混合制得鲟鱼软骨脱细胞基质/丝胶蛋白生物墨水，此专利为丝胶蛋白材料与鲟鱼软骨脱细胞基质进行复合，通过紫外光照射，使甲基丙烯酸酐或甲基丙烯酸缩水甘油酯的碳碳双键产生自由基发生聚合；形成的水凝胶具有可3D打印、性能可控、生物相容性好、可生物降解等优点。但使用了两种材料体系进行打印，步骤较长且繁琐。
专利CN113663208A公开了一种七鳃鳗牙齿形状仿生的抗菌丝胶微针的制备方法，包括：(1)设计一种七鳃鳗牙齿形状仿生的微针模具，采用3D打印进行模具的打印；(2)将PDMS浇筑到模具表面，室温交联，得到PDMS微针模板；(3)将混合氧化锌纳米粒子的丝胶溶液加入PDMS模板中作为微针的主体成分；(4)离心，抽真空，重复进行三次；(5)加入PVA作为微针的基底，室温条件下自然干燥，去除模板得到抗菌丝胶微针。本发明制备的抗菌丝胶微针具有七鳃鳗牙齿仿生的形状，且保留了天然丝胶蛋白本身的良好生物相容性和生物可降解性，混合了氧化锌纳米粒子的微针兼具抗菌特性，可应用于细菌感染的创口修复。此专利发明采用了倒模的方式得到了三维成型的丝胶载药微针，但微针精度较低，倒模工序长，成型可自定义程度低。
专利CN116640452A发明一种生物材料技术领域的支架，具体公开丝胶蛋白微支架的制备方法及应用，将甲基丙烯酰化丝胶蛋白和光引发剂(LAP)混合制备成光刻胶，通过飞秒激光双光子直写技术打印，制备丝胶蛋白微支架。实现了微纳尺度的丝胶蛋白微支架制备，通过该方法获得的微支架具有高精度的微观结构，为细胞生长提供可控的微环境，可以调控细胞以及其在组织工程领域的潜在应用。但利用的是直写的线成型技术，打印速度较慢,且成型多为二维线条或网状结构。
专利CN106075598A展示了一种光交联丝胶蛋白水凝胶及其制备方法和应用，将甲基丙烯酰化丝胶蛋白配制成溶液，然后与光引发剂(Irgacure 2959)溶液混合，通过紫外光照射得到所述丝胶蛋白水凝胶。所得的丝胶蛋白水凝胶具有良好的生物降解性能、自发荧光特性及可注射性能，可有效减少生物材料植入或取出所造成的创伤。更重要的是，该丝胶蛋白水凝胶在体内及体外均具有良好生物相容性，可有效的促进所载细胞的粘附。作为2D及3D细胞支架，该丝胶蛋白水凝胶可在无血清支持的条件下有效促进所搭载细胞的增殖及促进其形成有功能化的组织，作为伤口辅料可以促进皮肤伤口修复，可作为组织工程及再生医学生物材料。但此发明只是简单的利用灯光照射丝胶成胶，非可控制的3D面成型打印。
常用的制备甲基丙烯酰化丝胶蛋白Ser-MA材料的方法有：Wenxiang等人采用，碱(Na2CO3)热脱胶，即10g天然蚕茧用ddH2O洗涤，然后浸入400mL沸腾的0.02M Na2CO3溶液中1h。随后，通过离心(4000rpm，10分钟)和过滤除去不溶性残留物。将得到的丝胶原液用透析袋(MWCO 3.5kDa)对ddH2O透析4天以除去Na2CO3。最后将透析后的丝胶溶液冻干后得到丝胶。将10g冻干丝胶溶解于40mL PBS溶液(pH＝8.5)中，搅拌3h。在搅拌下将2.93g MA加入到100mL PBS溶液(pH 8.5)中，并将所制备的MA溶液滴加到丝胶溶液中以制成反应溶液。在该反应溶液中MA与丝胶在室温下反应过夜后，将该溶液用透析袋(MWCO 3.0kDa)对dH2O透析7天。将透析的Ser-MA冻干。在实际制备中丝胶和Ser-MA两步冻干，材料制作周期长且改性为过量反应，精确控制反应量意义不足，并且MA改性的丝胶对结构有一定影响且接枝基团均为疏水基团，在实际冻干中容易降低丝胶的溶解性。需采用改进工艺，减少制备时间同时还原丝胶水溶性。
丝胶墨水通常打印精度低，自支撑性低；复合打印方法则涉及两种材料，需要考虑材料之间的相容性，在后续应用有一定限制。目前常用的MA改性Ser-MA溶解度较差且制备流程冗杂，材料强度较低，且打印通常停留在二维结构。需新工艺与改性优化来改善其水溶性，提高制备效率，打印体强度和实现高精度三维结构的成型。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种丝胶蛋白光固化生物墨水及其制备方法与应用。本发明在丝胶提取后使用GMA进行改性，并精简一步冻干流程，采用连续透析的方式提高透析效率。同时GMA相较于MA改性对丝胶影响较小，水溶性保持较好。本发明采用的工艺流程和改性方法显著提高了Ser-MA材料的制备效率和稳定性，且后续测试表明本方法制备的Ser-MA材料强度更高，少量墨水即可达到预期打印精度。同时经过后续墨水配比和打印参数的调节，可实现丝胶蛋白DLP快速打印高精度模型。创新了Ser-MA制备方法，并提高了Ser-MA墨水光固化打印精度。
本发明通过以下技术方案实现：
本发明第一个目的是提供一种丝胶蛋白光固化生物墨水，所述丝胶蛋白光固化生物墨水包括甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝胶，所述甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝胶通过甲基丙烯酸缩水甘油酯在丝胶溶液中反应得到。
在本发明的一个实施例中，所述甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝胶通过以下制备方法得到：
将生丝进行脱胶处理，对所得脱胶液进行透析，浓缩，得到浓缩后的丝胶溶液；
将甲基丙烯酸缩水甘油酯与所得浓缩后的丝胶溶液搅拌混合，透析，分离，得到所述甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝胶。
在本发明的一个实施例中，所述浓缩后的丝胶溶液的浓度为4wt％-7wt％。
在本发明的一个实施例中，所述甲基丙烯酸缩水甘油酯的浓度为6wt％-8wt％。
在本发明的一个实施例中，还包括光引发剂和光吸收剂。
在本发明的一个实施例中，所述光引发剂为苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂；所述光吸收剂为柠檬黄。
在本发明的一个实施例中，按照质量百分数计，所述丝胶蛋白光固化打印墨水包括：20wt％-40wt％甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝胶蛋白，0.6wt％-1wt％光引发剂和0.05wt％光吸收剂。
Ser-MA选择：采用GMA改性制备，主要通过氨基，羟基，羧基等结合位点进行改性，使丝胶与GMA形成稳定共价键，且每个结合位点可接枝两个GMA基团，且GMA自带双键基团，利于聚合的进行。
光引发剂PI的选择：常见的光引发剂有Irgacure295，核黄素，苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂(LAP)等，其中LAP的量子产率高所以光引发效率最高，可以在同等量下产生更多的自由基来引发聚合反应，所以选择LAP进行聚合。
光吸收剂的选则：光吸收剂能够在一定程度上争夺光能，从而提高光交联反应所需要的能量阈值，由于打印墨水对光源的散射、折射、反射等作用，从而使得未光照区域也有一定程度的交联从而降低了打印精度。加入光吸收剂后，在未光照区域的反应阈值提高，使散射光线的能量不足以引发交联反应或反应不足，从而精度上升。光吸收剂选择了柠檬黄，常见的光吸收剂2,2,6,6四甲基-1-哌啶氧基(TEMPO)和1,4-苯二酚(氢醌)在反应过程中会清除生成的自由基，对光交联区域有不利影响，而5-苯甲酰基-4-羟基-2-甲氧基苯磺酸(HMBS)光吸收效率较低不足以形成较高的反应阈值，最后选则了光吸收剂柠檬黄。
本发明第二个目的是提供所述丝胶蛋白光固化生物墨水在3D打印中的应用。
在本发明的一个实施例中，所述3D打印的固化时间为10s-40s。
在本发明的一个实施例中，所述3D打印的光能密度为100mJ/cm2-800mJ/cm2。
打印参数设置：主要的打印参数有，每层的固化时间为10-40秒，光照强度为10-20mW/cm2，打印层高为250μm，在调节过程中，目的是在保证打印体强度一定的情况下选则更少的时间与更小的层高，实现高效的打印与更高的精度。打印参数可简化为光能密度，即：E光能密度＝t光照时间*I光强。
本发明还提供了一种稳定的高精度光固化3D打印丝胶蛋白墨水制备方法，墨水主体为Ser-MA，采用GMA改性丝胶并优化工艺流程，得到高稳定性和水溶性的Ser-MA原材料；研究了Ser-MA光固化打印精度。通过调控Ser-MA、光引发剂和光吸收剂的浓度和配比，优化打印参数，实现基于Ser-MA墨水的高精度三维模型打印成型。
在本发明的一个实施例中，所述Ser-MA的制备：碱(Na2CO3)热脱胶，脱胶液回收，之后纯化透析(连续透析12小时)离心，60℃浓缩1.5h-2h到400mL-650mL，然后用浓度为6wt％-8wt％GMA对丝胶改性，条件为60℃加热，转速500rpm。最后对改性后的丝胶连续透析12h，并离心去除不溶物，冻干，得到Ser-MA。
本发明通过改进工艺流程与采用GMA改性方法，提高了工艺提取效率并改善了Ser-MA墨水的溶解性，制备方法简单，再优化后续墨水配比与打印参数，提高了打印精度与强度。DLP打印技术：高精度打印，黏度要求小，打印速度快，模型自定义程度高。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明提供了一种丝胶蛋白光固化生物墨水及其制备方法与应用。本发明优化了Ser-MA的制备方法，进一步稳定了制备墨水的稳定性，提高了丝胶打印的打印体强度。
(2)本发明所使用的聚合主体材料是丝绸工业脱胶废水中常见的丝胶蛋白，是一种天然的高分子蛋白质材料，来源广泛，有利于资源的循环利用，且材料的生物相容性与功能性程度高，打印过程可调节力学性能范围大，是一种环保材料。
(3)本发明探索了丝胶光固化打印的精度范围，根据打印墨水数据得出了丝胶光固化打印的数据池。
(4)本发明根据墨水与打印参数的调节，得到了快速成型的高精度丝胶打印体且力学性能有提升。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明实施例2中GMA改性Ser-MA(左)与MA改性Ser-MA(右)溶解后的图；
图2是本发明实施例2中丝胶、GMA改性Ser-MA和MA改性Ser-MA的红外光谱图；
图3是本发明实施例2中丝胶、GMA改性Ser-MA和MA改性Ser-MA的H1NMR图；
图4是本发明实施例2中GMA改性Ser-MA二级结构拟合图；
图5是本发明实施例2中MA改性Ser-MA二级结构拟合图；
图6是本发明实施例4中打印数据池；
图7是本发明实施例4中不同参数下打印体的图像；
图8是本发明实施例4中GMA改性Ser-MA紫外流变图；
图9是本发明实施例4中MA改性Ser-MA紫外流变图；
图10是本发明实施例中Ser-MA打印太极图案；
图11是本发明实施例中Ser-MA打印耳朵模型与拓扑模型。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种GMA改性Ser-MA的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)脱胶方式：量取6L去离子水，称量3g无水碳酸钠，混合搅拌均匀后倒入脱胶桶中加热煮沸。称取150g生丝，加入煮沸的碳酸钠溶液中，煮120min，且每15min搅拌生丝2min，煮完后取出丝，脱胶液用滤网过滤，大概得到1.5L脱胶液。
(2)脱胶液纯化：在60℃下浓缩脱胶液2h，到500mL左右。浓缩后的脱胶液在6kDa-8kDa的透析袋中室温连续透析12h，然后用滤网过滤收集脱胶液放入4℃冰箱备用。
(3)丝胶改性：将8wt％的GMA缓慢加入到纯化后的丝胶溶液(浓度为5％)中，加入完成后封口并在60℃下恒温搅拌(500rpm)12小时，反应完成后在6kDa-8kDa透析袋中室温连续透析12h去除未反应的GMA小分子，之后再在高速离心机上以10000rpm，10min，4℃的条件离心透析后GMA改性的Ser-MA溶液，去除不溶杂质，取上清液备用。
(4)提取保存：将离心后GMA改性的Ser-MA溶液在-80℃中预冻12h，再在冻干机中冻干3天，冻干完成后，得到GMA改性Ser-MA，放入干燥皿中保存以供使用。
对比例1
本对比例提供了一种丝胶溶液，其制备方法同实施例1中的(1)和(2)。
对比例2
本对比例提供了一种MA改性Ser-MA的制备方法，其制备方法与实施例1相似，区别之处在于：
步骤(3)中，将8wt％的MA缓慢加入到纯化后的丝胶溶液中，加入完成后封口并在60℃下恒温搅拌(500rpm)12小时，反应完成后在6kDa-8kDa透析袋中室温连续透析12h去除未反应的MA小分子，之后再在高速离心机上以10000rpm，10min，4℃的条件离心透析后MA改性的Ser-MA溶液，去除不溶杂质，取上清液备用。
(4)提取保存：将离心后MA改性的Ser-MA溶液在-80℃中预冻12h，再在冻干机中冻干3天，冻干完成后，得到MA改性Ser-MA，放入干燥皿中保存以供使用。
实施例2材料表征
(1)将丝胶、实施例1制备所得GMA改性Ser-MA和对比例1制备所得MA改性Ser-MA分别在25℃以相同质量加入等量去离子水溶解100min，溶解后如图1所示(左：GMA改性Ser-MA，右：MA改性Ser-MA)，由图1在25℃下MA改性Ser-MA与GMA改性Ser-MA的溶解性可以看出，GMA改性的丝胶溶解速度快，形成稳定的胶体溶液，没有分层现象，而MA改性Ser-MA溶解速度慢，且易分层，不溶物较多，形成的是不稳定的悬浊液。
(2)改性/接枝表征：
丝胶、GMA改性Ser-MA和MA改性Ser-MA的红外光谱图如图2所示；由图2可以看出，GMA的改性未改变丝胶的整体结构，代表丝胶蛋白结构的酰胺一区(1600cm-1-1700cm-1)并未有明显变化，蛋白质保存完好，与GMA相关的光谱区，亚甲基CH2(1167cm-1)，RR′C＝CH2(947cm-1)在改性后出现。
丝胶、GMA改性Ser-MA和MA改性Ser-MA的核磁共振氢谱如图3所示；由图5可以看出，GMA改性后在6.2/5.8ppm出现甲基丙烯酰胺的相关峰，代表改性成功。
(3)二级结构：GMA改性Ser-MA和MA改性Ser-MA的二级结构拟合图如图4和图5所示，在红外光谱分峰拟合的数据上可以看出GMA改性后仍然是无规卷曲占主导部分(40％左右)，而MA改性后无规卷曲与β-折叠含量相当(28％-30％左右)一同占据主导地位，结构变得致密，溶解性下降，Ser-MA仅有一部分溶解性。MA改性基团均为疏水基团，对丝胶结构影响较大，GMA改性中基团含有亲水部分，对丝胶的溶解性几乎没有影响。
实施例3丝胶蛋白光固化生物墨水的制备
本实施例的丝胶蛋白光固化生物墨水主要成分包括：聚合主体Ser-MA(20％-40％)，光引发剂(PI，0.6％-1％)和紫外光吸收剂(0.05％)。通过以一定的比例依次将聚合主体Ser-MA、光引发剂和紫外光吸收剂加入至纯净水中进行混合再除泡，得到丝胶蛋白光固化生物墨水。
Ser-MA选择：采用GMA改性制备，主要通过氨基，羟基，羧基等结合位点进行改性，使丝胶与GMA形成稳定共价键，且每个结合位点可接枝两个GMA基团，且GMA自带双键基团，利于聚合的进行。
光引发剂PI的选择：常见的光引发剂有Irgacure2959，核黄素，苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂(LAP)等，其中LAP的量子产率高所以光引发效率最高，可以在同等量下产生更多的自由基来引发聚合反应，所以选择LAP进行聚合。
紫外光吸收剂的选择：光吸收剂能够在一定程度上争夺光能，从而提高光交联反应所需要的能量阈值，由于打印墨水对光源的散射、折射、反射等作用，从而使得未光照区域也有一定程度的交联从而降低了打印精度。加入光吸收剂后，在未光照区域的反应阈值提高，使散射光线的能量不足以引发交联反应或反应不足，从而精度上升。光吸收剂选择了柠檬黄，常见的光吸收剂2,2,6,6四甲基-1-哌啶氧基(TEMPO)和1,4-苯二酚(氢醌)在反应过程中会清除生成的自由基，对光交联区域有不利影响，而5-苯甲酰基-4-羟基-2-甲氧基苯磺酸(HMBS)光吸收效率较低不足以形成较高的反应阈值，最后选则了光吸收剂柠檬黄。
打印参数设置：主要的打印参数有，每层的固化时间为10s-40s，光照强度为10mW/cm2-20mW/cm2，打印层高为250μm，在调节过程中，目的是在保证打印体强度一定的情况下选则更少的时间与更小的层高，实现高效的打印与更高的精度。打印参数可简化为光能密度，即：E光能密度＝t光照时间*I光强。
实施例4
本实施例探索优化丝胶蛋白光固化生物墨水与打印设置，提高打印精度。
本实施例通过改变GMA改性Ser-MA的浓度，LAP浓度与添加光吸收剂来探索优化打印墨水的配置，并同时更改入射光的强度，每一层的曝光时间来探索优化打印参数的设置。打印一个高度为1.5mm，直径为2mm的微型圆柱体来初步评估打印墨水配比与打印参数的可打印性。层高大小与z方向精度相关，层高越小z方向精度越高，初步探索阶段采用大层高来实现打印，固定为250μm，Z轴为实际打印高度与设计高度比值。
打印墨水的制备按照实施例3进行，其中各组分质量百分数含量如下：
1)40％Ser-MA 1％LAP；
2)40％Ser-MA0.6％LAP；
3)30％Ser-MA 1％LAP；
4)30％Ser-MA0.6％LAP；
5)20％Ser-MA 1％LAP；
6)20％Ser-MA0.6％LAP；
图6为打印数据池，图7为不同参数下打印体的图像；其中，A为40％Ser-MA 1％LAP在600mW/cm2光能密度下打印体；B为
30％Ser-MA 0.6％LAP在800mW/cm2光能密度下打印体；C为20％Ser-MA 0.6％LAP在400mWz/cm2光能密度下打印体；D为20％Ser-MA 0.6％LAP在200mW/cm2光能密度下打印体。从图6和图7可以看出，40％Ser-MA 1％LAP在400mW/cm2，600mW/cm2光能密度时打印高度达标但x-y方向分辨率扩散较大(直径扩散25％-50％)。30％Ser-MA 0.6％LAP在800mW/cm2光能密度下打印高度达标但x-y方向分辨率扩散较大(直径扩散25％-75％)。20％Ser-MA0.6％LAP在400mWz/cm2光能密度下打印高度达标但x-y方向分辨率扩散较大(直径扩散20％-55％)。当20％Ser-MA 0.6％LAP在200mW/cm2光能密度下打印高度达标且横向打印分辨率最高(直径扩散0％-20％)。
图8和图9分别为GMA改性Ser-MA紫外流变图和MA改性Ser-MA紫外流变图，由图8和图9可以看出，同时在最优的打印参数下(20％Ser-MA 0.6％LAP在200mW/cm2光能密度)，丝胶的光固化流变说明GMA改性的丝胶墨水成胶后模量更高，比MA改性Ser-MA高出两个数量级，这也解释了打印性较好，结构稳定的原因。图10、图11是打印实例展示，可以看出在最优的打印参数下(20％Ser-MA 0.6％LAP在200mW/cm2光能密度)可打印出较为精细的结构体，太极图案、耳朵模型和拓扑模型，其中耳朵模型和拓扑模型从不同角度(正面和侧面)进行拍摄。
综上所述，丝胶是从蚕丝脱胶工艺中回收的绿色环保生物相容材料，并且相较于丝素光固化墨水它的稳定性更高，配置的墨水可以长时间保存。相较与其他丝胶墨水而言，是采用了GMA而不是MA改性，这一步提高了改性丝胶的水溶性，同时在蛋白结构上更大程度的保持了丝胶的原本二级结构保留了丝胶易溶于水且状态稳定，易保存的特点。同时GMA改性墨水的储能模量相较于MA而言更高，在打印体的力学性能上GMA改性的丝胶墨水的打印性能更好。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种丝胶蛋白光固化生物墨水，其特征在于，所述丝胶蛋白光固化生物墨水包括甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝胶，所述甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝胶通过甲基丙烯酸缩水甘油酯在丝胶溶液中反应得到。
2.根据权利要求1所述的丝胶蛋白光固化生物墨水，其特征在于，所述甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝胶通过以下制备方法得到：
将生丝进行脱胶处理，对所得脱胶液进行透析，浓缩，得到浓缩后的丝胶溶液；
将甲基丙烯酸缩水甘油酯与所得浓缩后的丝胶溶液搅拌混合，透析，分离，得到所述甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝胶。
3.根据权利要求2所述的丝胶蛋白光固化生物墨水，其特征在于，所述浓缩后的丝胶溶液的浓度为4wt％-7wt％。
4.根据权利要求2所述的丝胶蛋白光固化生物墨水，其特征在于，所述甲基丙烯酸缩水甘油酯的浓度为6wt％-8wt％。
5.根据权利要求1所述的丝胶蛋白光固化生物墨水，其特征在于，还包括光引发剂和光吸收剂。
6.根据权利要求1所述的丝胶蛋白光固化生物墨水，其特征在于，所述光引发剂为苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂；所述光吸收剂为柠檬黄。
7.根据权利要求1所述的丝胶蛋白光固化生物墨水，其特征在于，按照质量百分数计，所述丝胶蛋白光固化打印墨水包括：20wt％-40wt％甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝胶蛋白，0.6wt％-1wt％光引发剂和0.05wt％光吸收剂。
8.权利要求1-7任一项所述丝胶蛋白光固化生物墨水在3D打印中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述3D打印的固化时间为10s-40s。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述3D打印的光能密度为100mJ/cm2-800mJ/cm2。
CN202311420847.0A 2023-10-30 2023-10-30 一种丝胶蛋白光固化生物墨水及其应用 Pending CN117343255A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311420847.0A CN117343255A (zh) 2023-10-30 2023-10-30 一种丝胶蛋白光固化生物墨水及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311420847.0A CN117343255A (zh) 2023-10-30 2023-10-30 一种丝胶蛋白光固化生物墨水及其应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117343255A true CN117343255A (zh) 2024-01-05

Family

ID=89370857

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311420847.0A Pending CN117343255A (zh) 2023-10-30 2023-10-30 一种丝胶蛋白光固化生物墨水及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117343255A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Stereolithography apparatus and digital light processing-based 3D bioprinting for tissue fabrication
KR101983741B1 (ko) 바이오 잉크 및 이의 제조방법
CN113679888B (zh) 光固化成型复合水凝胶基质前驱体及其制备方法和带有其的支架
CN108367100B (zh) 水凝胶的光活化制备
CN109942752B (zh) 改性羧甲基纤维素生物相容性复合水凝胶前驱液、复合水凝胶及其应用
CN109821075B (zh) 一种生物材料及其制备方法与作为骨缺损修复材料的应用
CN106310380B (zh) 一种纳米纤维化丝素蛋白凝胶及其制备方法
TWI655285B (zh) 光聚合組成物及其應用
KR102180865B1 (ko) 전기전도성을 갖는 광가교 바이오 잉크 조성물 및 이의 제조방법
CN109846718B (zh) 一种牙胶尖复合材料及其dlp打印应用
AU2019314468B2 (en) Material and method for producing cell receiving scaffold
CN104861216A (zh) 一种紫外光3d打印用水凝胶基质的制备方法
CN110585483A (zh) 一种可多重方法交联的新型生物墨水及其制备方法
CN114524953A (zh) 一种丝素蛋白/透明质酸复合水凝胶、制备方法和应用
Elkhoury et al. Bioprinting the future using light: A review on photocrosslinking reactions, photoreactive groups, and photoinitiators
CN114773549B (zh) 一种甲基丙烯酸酐改性丝素的制备方法
CN112661983A (zh) 一种用于3d打印的水凝胶材料及制备方法和应用、外界刺激双响应海藻酸钠的制备方法
Lu et al. Photocuring 3D printing of hydrogels: techniques, materials, and applications in tissue engineering and flexible devices
CN117343255A (zh) 一种丝胶蛋白光固化生物墨水及其应用
Cui et al. 3D Printing Strategies for Precise and Functional Assembly of Silk-based Biomaterials
CN116421780A (zh) 一种基于丝素蛋白和明胶的生物打印墨水及其制备与应用
CN109666302B (zh) 一种3d打印丝蛋白水凝胶及其制备方法
AU2019276160B2 (en) Bifunctional modified biopolymer based polymers and hydrogels obtainable from such bifunctional modified biopolymer based polymers
CN114763399B (zh) 一种数字光处理3d打印人工角膜及其打印方法和应用
CN116510076A (zh) 一种高精度光固化3d打印丝素蛋白基生物墨水

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination