丝素蛋白/纤维素3D打印墨水制造技术

本发明专利技术涉及一种丝素蛋白/纤维素3D打印墨水，主要组分为：生物相容性良好的水溶性丝素蛋白、生物相容性良好的非水溶性的纤维素微/纳米材料、能够诱导丝素蛋白物理交联的无毒性多元醇、能够促进组织再生的生物活性物质和水。本发明专利技术的丝素蛋白/纤维素3D打印墨水粘度较大，动态粘度为1000～5000cP，成型固化速度快，自凝胶化时间为0.5～3min，打印条件温和，打印温度为25～37℃，得到的打印支架精度较高，且力学性能优良，分辨率为50～300μm，压缩模量为10～50MPa。本发明专利技术的丝素蛋白/纤维素3D打印墨水形成的支架可用于人体各种损伤组织或器官的修复与重建领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物3D打印墨水领域，涉及一种丝素蛋白/纤维素3D打印墨水。
技术介绍
目前，全世界每年约有上千万人遭受各种形式的创伤，有数百万人因疾病康复过程中重要器官发生纤维化导致功能丧失，有数十万人迫切希望进行各种器官移植。器官移植作为一种不可或缺的临床治疗手段，主要还是依赖于自体或异体移植的治疗模式，这就不可避免要受到器官来源、伦理及机体免疫排斥等方面的限制而难以满足临床救治的需求。据统计结果显示，目前等待器官移植的患者中只有大概20％的人可以进行正常器官移植，其余的只能继续等待或采取其他的治疗方法。近年来，生物3D(三维)打印技术的兴起在人体组织或器官的再生重建方面备受关注。生物3D打印技术是通过CAD技术模拟人体不同的组织器官并由计算机控制以生物材料、种子细胞及其他一些生物试剂为墨水来打印进行重建人体组织和器官。通过生物3D打印出的支架结构不仅具有准确性、特异性，而且能够维持细胞活力，从而满足人体各类复杂组织器官的重建需求。所以，生物3D打印必将引起生物医学领域的技术革命。然而，生物3D打印技术面临的主要挑战之一在于所打印生物墨水的选择，传统的用于3D打印的材料主要是一些合成高聚物如PEG、PCL、PGA、PGS、PLA、PVA等，这一类材料易于成型、分辨率高，但存在加工温度较高，细胞相容性差的缺点，而常用的一些天然高分子如胶原、弹性蛋白、纤维蛋白、明胶、海藻酸、壳聚糖、透明质酸等虽然打印温度温和，但是存在支架的分辨率低、结构稳定性较差的不足，因此一种兼具细胞相容性、结构稳定性及高分辨率的生物墨水亟待开。中国专利公开号CN105238132A公开了一种用于3D打印生物支架的生物墨水，所述生物墨水包括具有交联功能的水溶性合成聚合物、具有交联功能的水溶性天然高分子、能自发形成特殊超微结构的生物活性组分、交联引发剂和溶剂及生物活性组分。但是，该墨水的交联需要采用紫外光固化，从而会不可避免的对细胞造成一定程度的损伤。近期，美国塔夫茨大学Kaplan课题组公开了一种丝素蛋白水溶液和无毒多元醇混合生物墨水，该墨水打印过程中由于丝素蛋白生理温度下的物理交联产生自凝胶化，从而克服了毒性溶剂和打印温度的难题。但是，该墨水在分辨率及对应支架的力学性能方面还差强人意，需要进一步的改进。针对于不同的组织部位，组织工程支架材料需具备与之匹配的空间几何结构和力学性能，例如，利于骨组织再生的支架应具备10～500μm的孔径分布，此外，密质骨的压缩强度约30MPa，松质骨的压缩强度为2～12MPa。虽然生物可降解的三维网络结构水凝胶与细胞外基质结构具有相似性，但与之相比，3D打印技术能够对支架材料的外部形态和内部微结构进行更精确调控，从而有利于调控细胞的分布及材料与生物体的匹配。然而，由于3D打印技术需要使生物墨水在很短的时间内从流体状态变成固体状态，墨水的初始粘度会影响打印支架的结构完整性，进而影响支架的精确性，墨水的成分会影响支架力学性能。而目前的3D打印生物墨水很难同时兼顾支架的结构精确性和力学性能。因此，寻找一种既能满足生物相容性良好、温和打印条件，又能够进一步满足打印支架的高仿生性和更佳的力学性能的生物墨水是目前需要解决的难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种生物相容性良好、打印条件温和、能够得到力学性能优良且精度较高的打印支架的丝素蛋白/纤维素3D打印墨水。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种丝素蛋白/纤维素3D打印墨水，包括以下组分：水溶性丝素蛋白、非水溶性的纤维素微/纳米材料、无毒性多元醇和水。作为优选的技术方案：如上所述的丝素蛋白/纤维素3D打印墨水，各组分的含量为：水溶性丝素蛋白5～40wt％，非水溶性的纤维素微/纳米材料1～30wt％，无毒性多元醇1～10wt％，余量为水。如上所述的丝素蛋白/纤维素3D打印墨水，所述丝素蛋白/纤维素3D打印墨水的动态粘度为1000～5000cP，自凝胶化时间为0.5～3min，打印温度为25～37℃，丝素蛋白/纤维素3D打印墨水打印支架的分辨率为50～300μm，压缩模量为10～50MPa。如上所述的丝素蛋白/纤维素3D打印墨水，所述水溶性丝素蛋白的分子量为50～150kDa；所述水溶性丝素蛋白的来源为桑蚕茧、柞蚕茧、蓖麻蚕茧、木薯蚕茧、马桑蚕茧、惠利蚕茧、天蚕茧、琥珀蚕茧、樟蚕茧、栗蚕茧、樗蚕茧、乌桕蚕茧或柳蚕茧。丝素蛋白是一种天然结构性蛋白质，其二级结构包括无规卷曲、α-螺旋、β-折叠构象，其中，β-折叠构象是丝素蛋白结晶形态的主要存在形式，在醇类、温度、外力的作用下，其它的构象会转变为β-折叠构象，而β-折叠构象的形成是丝素蛋白粘度增加、不溶于水、力学性能提高的主要原因，因此，可以通过调控丝素蛋白的分子量、β-折叠构象的含量来达到调节墨水的粘度及最终支架的结构与性能的目的。如上所述的丝素蛋白/纤维素3D打印墨水，所述非水溶性的纤维素微/纳米材料为纤维素纳米纤维、纤维素纳米晶须、纤维素微米纤维或纤维素微纳米纤维聚集体；纤维素纳米纤维、纤维素纳米晶须和纤维素微米纤维的长径比为100～200，直径为5nm～10μm；所述非水溶性的纤维素微/纳米材料的纤维素来源为陆生植物、海底植物或细菌。如上所述的丝素蛋白/纤维素3D打印墨水，所述陆生植物为棉花、木、竹、麻、草或秸秆，所述海底植物为海藻或海草。如上所述的丝素蛋白/纤维素3D打印墨水，所述无毒性多元醇为乙醇、丙三醇、核糖醇、赤藓醇、丁二醇、木糖醇、山梨醇、甘露醇、半乳糖或海藻糖。如上所述的丝素蛋白/纤维素3D打印墨水，所述组分还包括生物活性物质，生物活性物质的含量为0.01～10wt％。如上所述的丝素蛋白/纤维素3D打印墨水，所述生物活性物质为生物活性玻璃、骨形成蛋白、生物活性磷酸钙、羟基磷灰石、硅酸钙、硅酸镁、血管内皮生长因子或成纤维细胞生长因子。如上所述的丝素蛋白/纤维素3D打印墨水，所述组分还包括交联剂，交联剂的含量为0.1～5wt％。如上所述的丝素蛋白/纤维素3D打印墨水，所述交联剂为京尼平，京尼平可以增加水溶性丝素蛋白的分子量，相同浓度下，分子量越大，丝素蛋白粘度越大。本专利技术以丝素蛋白作为3D打印墨水基体，同时利用纤维素纤维改善墨水的粘度及打印支架材料的分辨率和力学强度。丝素蛋白作为一种天然结构性蛋白质，不仅具有良好的生物相容性，可忽略的免疫反应和炎症反应，而且具有非凡的力学强度，在过去几十年中，一直被作为再生医学材料被不断探索，在皮肤、骨、软骨、血管、神经等方面取得了大量的研究成果。而纳米纤维素纤维如细菌纤维素等也凭借优良的生物相容性而广泛应用于生物医学中。同时，纤维素纤维因其具有较高长径比以及高强、高模、高结晶度特性而作为聚合物增强材料，根据纤维素结构性质的差异，常用于聚合物增强的纤维素纤维成分包括纤维素纳米纤维、纤维素纳米晶须、纤维素微米纤维、纤维素微纳米纤维聚集体。加入不同尺寸、不同含量的纤维素纤维时墨水制备的支架的性能不同，纤维素纤维的浓度越高，粘度越大，支架材料的强度也越大，在同等浓度下，增强效果顺序：纤维素纳米纤维>纤维素纳米晶须>纤维素微米纤维，纤维素纳米纤维、纤维素纳米晶须的分辨率要好于纤维素微米纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
丝素蛋白/纤维素3D打印墨水，其特征是包括以下组分：水溶性丝素蛋白、非水溶性的纤维素微/纳米材料、无毒性多元醇和水。

【技术特征摘要】
1.丝素蛋白/纤维素3D打印墨水，其特征是包括以下组分：水溶性丝素蛋白、非水溶性的纤维素微/纳米材料、无毒性多元醇和水。2.根据权利要求1所述的丝素蛋白/纤维素3D打印墨水，其特征在于，各组分的含量为：水溶性丝素蛋白5～40wt％，非水溶性的纤维素微/纳米材料1～30wt％，无毒性多元醇1～10wt％，余量为水。3.根据权利要求1所述的丝素蛋白/纤维素3D打印墨水，其特征在于，所述丝素蛋白/纤维素3D打印墨水的动态粘度为1000～5000cP，自凝胶化时间为0.5～3min，打印温度为25～37℃，丝素蛋白/纤维素3D打印墨水打印支架的分辨率为50～300μm，压缩模量为10～50MPa。4.根据权利要求1所述的丝素蛋白/纤维素3D打印墨水，其特征在于，所述水溶性丝素蛋白的分子量为50～150kDa；所述水溶性丝素蛋白的来源为桑蚕茧、柞蚕茧、蓖麻蚕茧、木薯蚕茧、马桑蚕茧、惠利蚕茧、天蚕茧、琥珀蚕茧、樟蚕茧、栗蚕茧、樗蚕茧、乌桕蚕茧或柳蚕茧。5.根据权利要求1所述的丝素蛋白/纤维素3D打印墨水，其特征在于，所述非水溶性的纤维素微/纳米材料为纤维素纳米纤维、纤维素...

【专利技术属性】
技术研发人员：张耀鹏，黄利，朱钰方，邵惠丽，胡学超，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31