一种3D打印可降解微球的制备方法及其在构建功能性体外微组织中的应用技术

本发明专利技术涉及生物制造和组织工程技术领域，具体涉及一种3D打印可降解微球的制备方法及其在构建功能性体外微组织中的应用。本发明专利技术提供一种3D打印可降解微球的制备方法，包括：制备生物可降解水凝胶，3D打印制备水凝胶微滴，水凝胶微滴发生交联反应制备水凝胶微球。通过选择具有较好的力学性能、成形性、生物相容性和降解性的水凝胶材料作为微球的制备材料，利用3D生物打印实现了由水凝胶材料形成具有良好生物相容性、降解性和力学性能的水凝胶微球的快速制造，与采用传统方法制备的微球相比，水凝胶微球的粒径更加精确可控、粒径和形态的均一性更高，适用于构建不同尺度下的功能性体外微组织，在组织工程领域具有良好的应用价值。

A preparation method of 3-D printing biodegradable microspheres and its application in the construction of functional in vitro microstructures

The invention relates to the field of bio-manufacturing and tissue engineering technology, in particular to a preparation method of 3D printing degradable microspheres and its application in constructing functional in vitro microstructures. The invention provides a preparation method of three-dimensional printing degradable microspheres, which includes preparing biodegradable hydrogels, preparing hydrogel droplets by three-dimensional printing, and preparing hydrogel microspheres by crosslinking reaction of hydrogel droplets. By choosing hydrogel materials with good mechanical properties, formability, biocompatibility and biodegradability as the preparation materials of microspheres, the rapid fabrication of hydrogel microspheres with good biocompatibility, biodegradability and mechanical properties from hydrogel materials was realized by 3D bioprinting. Compared with microspheres prepared by traditional methods, the size of hydrogel microspheres was larger. Accurate control, higher uniformity of particle size and morphology are suitable for the construction of functional in vitro microstructures at different scales. It has good application value in the field of tissue engineering.

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印可降解微球的制备方法及其在构建功能性体外微组织中的应用
本专利技术涉及生物制造和组织工程
，具体涉及一种基于3D生物打印技术的可降解微球的制备方法及其在构建功能性体外微组织中的应用。
技术介绍
目前，生物微球的生产和应用主要集中于药用方面，常作为药物载体用于药物在体内的递送与缓释。与药用微球不同，用于组织工程的微球通常作为细胞支架，为细胞提供粘附和生长的载体。因此，用于组织工程的微球应具有良好的生物相容性和可降解性。现有技术中的微球制备方法主要包括乳化分散法、凝聚法和聚合法。其中，乳化分散法与凝聚法均利用制备油/水两相分散乳剂，通过固化、蒸发的方式将两相分离制得微球；聚合法是将材料单体通过反应聚合，从而形成微球。上述制备方法虽然较为简单易行，可快速制备大量微球，然而，制备的微球粒径大小通常难以控制，微球形态的一致性较差。且在制备过程中使用的有机溶剂与反应引发剂难以通过分离去除干净，对粘附细胞的正常生物活性具有较大影响。上述制备方法存在的问题限制了微球在组织工程中的应用。为了克服上述问题，使得制备的微球满足组织工程中构建功能性体外微组织的应用需要，开发能够制备粒径和形态精确可控且均一性高的可降解微球的制备方法具有重要的意义。
技术实现思路
为解决现有技术中生物微球制备方法存在的技术问题，满足生物微球在组织工程中的应用需要，本专利技术的目的在于提供一种利用生物3D打印技术制备可降解微球的方法及其在构建功能性体外微组织中的应用。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：本专利技术根据功能性体外微组织构建对于作为细胞粘附或支持载体的材料的要求，基于天然生物水凝胶材料的良好生物相容性和可降解性，选择天然生物水凝胶材料作为可降解微球的制备材料，根据天然生物水凝胶材料的特性开发了水凝胶微球的3D打印方案，实现了制备微球的粒径的精确控制和均一性；为提高3D打印制备的水凝胶微球的稳定性，进一步使用交联剂对打印微球进行交联反应处理，显著提高了微球的力学性能，使其能够满足构建功能性体外微组织的需要。由于水凝胶材料的可降解性，在水凝胶微球用于制备体外微组织时，可通过加入水凝胶材料对应的降解剂，实现了可控化水凝胶材料的降解，满足了组织工程中需要降解细胞粘附载体、形成特定仿生空间结构的需求。本专利技术提供一种3D打印可降解微球的制备方法，包括：制备生物可降解水凝胶，3D打印制备水凝胶微滴，水凝胶微滴发生交联反应制备水凝胶微球。为更好地满足体外微组织的制备需要，用于制备微球的水凝胶材料应具有良好的成形性和力学性能，作为优选，所述生物可降解水凝胶包括海藻酸钠水凝胶、透明质酸水凝胶、胶原水凝胶、纤维蛋白水凝胶、壳聚糖水凝胶、琼脂糖水凝胶中的一种或多种。本专利技术中，所述交联反应包括物理交联或化学交联；所述物理交联包括光交联、热致交联或辐射交联等；所述化学交联包括离子交联、共混交联等。为了使得制备的水凝胶微球具有更高的稳定性和力学性能，作为优选，所述交联反应为化学交联；所述化学交联为通过加入交联剂进行交联反应。所述交联剂包括钙盐、钡盐、过氧化氢、凝血酶、京尼平、戊二醛中的一种或多种。本领域技术人员可以根据用于制备所述生物可降解水凝胶的生物可降解高分子材料的不同，选择相应的交联剂，例如：当所述生物可降解高分子材料为海藻酸钠时，所述交联剂为钙盐、钡盐、京尼平或戊二醛；当所述生物可降解高分子材料为透明质酸时，所述交联剂为过氧化氢；当所述生物可降解高分子材料为纤维蛋白时，所述交联剂为凝血酶；当所述生物可降解高分子材料为壳聚糖或琼脂糖时，所述交联剂为京尼平或戊二醛。本专利技术中，所述生物可降解水凝胶的制备原料包括生物可降解高分子材料，适宜的水凝胶浓度有利于提高水凝胶微球的力学性能，作为优选，所述制备原料中，所述生物可降解高分子材料的质量体积百分含量为0.2％～15％；更优选为0.2％～8％。本专利技术中，所述生物可降解水凝胶的制备原料还包括溶剂或还包括溶剂和用于构建功能性体外微组织的细胞。作为优选，所述细胞包括组织器官实质细胞、间质细胞、癌细胞中的一种或多种。所述制备原料中，所述用于构建体外微组织的细胞浓度可以根据细胞的增殖速度和水凝胶材料的降解速度确定；以构建体外肿瘤组织海藻酸钠水凝胶微球为例，所述制备原料中，所述肿瘤细胞的浓度为105～106个/mL。作为本专利技术的一种实施方式，所述生物可降解水凝胶为将所述生物可降解高分子材料充分溶解于溶剂中制备得到。作为本专利技术的另一种实施方式，所述生物可降解水凝胶为将所述生物可降解高分子材料充分溶解于溶剂中，加入用于构建功能性体外微组织的细胞后混匀得到。本专利技术以海藻酸钠水凝胶、透明质酸水凝胶和纤维蛋白水凝胶为例，利用3D打印制备可降解微球。作为本专利技术的一种实施方式，当所述生物可降解高分子材料为海藻酸钠时，所述制备原料中，海藻酸钠的质量体积百分含量为1％～5％。作为优选，所述交联剂为钙盐或钡盐；所述交联剂的浓度为80～400mmol/L。作为本专利技术的另一种实施方式，当所述生物可降解高分子材料为透明质酸时，所述制备原料中，所述透明质酸的质量百分含量为0.2％～0.4％。作为优选，所述交联剂为过氧化氢，以过氧化物酶为催化剂；所述交联剂的浓度为4～8mmol/L；所述催化剂的浓度为4～8U/mL。作为本专利技术的另一种实施方式，当所述生物可降解高分子材料为纤维蛋白原时，所述制备原料中，所述纤维蛋白原的质量体积百分含量为4％～8％。作为优选，所述交联剂为凝血酶；所述交联剂的浓度为10-20U/mL。为提高水凝胶微球的粒径和形态的均一性，所述3D打印采用异质细胞三维打印机的交变滞惯力打印喷头。作为优选，所述3D打印以所述生物可降解水凝胶为打印原料，采用异质细胞三维打印机的交变滞惯力打印喷头，配合手工拉制的玻璃微喷管，打印得到水凝胶微滴，在所述水凝胶微滴中加入所述交联剂进行交联反应，得到所述可降解微球。所述可降解微球的粒径大小为通过玻璃微喷管的喷口直径控制。根据打印微球所需的粒径大小，可以在手工拉制过程中自主设置微喷管的喷口直径，通过改变玻璃微喷管的喷口直径控制打印微球的粒径大小。为提高水凝胶微球的粒径和形态的均一性，作为优选，所述3D打印的打印参数如下：温度4～20℃，采用5Hz脉冲波形驱动喷头振荡、采样率5MSa/s、振幅10Vpp、每秒振荡两次；每振荡一次，打印机运动平台位移300μm一次。本专利技术进一步提供上述制备方法制备的用于构建功能性体外微组织的可降解微球。在此基础上，本专利技术提供利用上述制备方法制备的可降解微球在在构建功能性体外微组织中的应用。所述功能性体外微组织可以为任意基于体外三维细胞培养模型构建的模块化体外微组织；包括但不限于体外三维肺泡模型、血管化组织、肿瘤模型。进一步地，本专利技术提供一种构建功能性体外微组织的方法，为利用本专利技术所述的可降解微球的制备方法制备得到的可降解微球构建功能性体外微组织；根据所构建的功能性体外微组织的结构，可以选择在利用本专利技术所述方法构建的含有组织细胞或不含组织细胞的可降解微球的表面进一步包覆细胞。或者，在可降解微球的表面包覆细胞后，加入降解剂将可降解微球降解，形成体外微组织的三维空间结构。作为优选，所述构建功能性体外微组织的方法包括：在所述可降解微球表面包覆组织细胞，经培养后加入降解剂进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印可降解微球的制备方法，其特征在于，包括：制备生物可降解水凝胶，3D打印制备水凝胶微滴，水凝胶微滴发生交联反应制备水凝胶微球。

【技术特征摘要】
1.一种3D打印可降解微球的制备方法，其特征在于，包括：制备生物可降解水凝胶，3D打印制备水凝胶微滴，水凝胶微滴发生交联反应制备水凝胶微球。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物可降解水凝胶包括海藻酸钠水凝胶、透明质酸水凝胶、胶原水凝胶、纤维蛋白水凝胶、壳聚糖水凝胶、琼脂糖水凝胶中的一种或多种。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述交联反应包括物理交联、化学交联；所述物理交联包括光交联、热致交联、辐射交联；所述化学交联包括离子交联、共混交联；优选地，所述化学交联为通过加入交联剂进行交联反应，所述交联剂包括钙盐、钡盐、过氧化氢、凝血酶、京尼平、戊二醛中的一种或多种。4.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，所述生物可降解水凝胶的制备原料包括生物可降解高分子材料，所述制备原料中，所述生物可降解高分子材料的质量体积百分含量为0.2％～15％；优选为0.2％～8％；所述生物可降解水凝胶的制备原料还包括溶剂或还包括溶剂和用于构建功能性体外微组织的细胞；优选地，所述细胞包括组织器官实质细胞、间质细胞、癌细胞中的一种或多种。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述生物可降解高分子材料为海藻酸钠时，所述制备原料中，海藻酸钠的质量体积百分含量为1％～5％；优选地，所述交联剂为钙盐或钡盐；所述交联剂的浓度为80～400mmol/L；当所述生物可降解高分子材料为透明质酸时，所述制备原料中，透明质酸的质量体积百分含量为0.2％～0.4％；优选...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞媛，何剑宇，翁鼎，王紫桐，周珍珍，卢仁浩，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11