基于3D打印技术的羟丁基壳聚糖智能水凝胶支架及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于3D打印技术的羟丁基壳聚糖智能水凝胶支架及其制备方法，采用单一体系的、对温度和离子强度具有高度响应性的智能水凝胶—温敏性羟丁基壳聚糖，利用其温度与离子强度致溶胶‑凝胶相变的特性，通过调控温度和3D打印参数得到成型的水凝胶支架，然后经过无机盐致相变使其均匀收缩，进一步提高了力学强度与精度。本发明专利技术克服了3D打印水凝胶普遍存在的成型性差、力学强度低、精度低等缺陷，与现有的光敏剂、复杂体系水凝胶的运用等常见方法相比，本发明专利技术无需引入任何光敏剂和交联剂，体系简单，工艺温和；制备的3D支架具有较高的力学强度和精细的内部结构，可广泛应用于软骨、皮肤、血管、神经、心肌等组织工程和组织修复中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及生物医用材料
，具体涉及一种基于3D打印技术的羟丁基壳聚糖智能水凝胶支架及其制备方法，可应用于软骨、皮肤、血管、神经、心肌等组织工程和组织的修复中。
技术介绍
近年来，3D打印技术在生物医药与再生医学领域的应用受到了研究者们的广泛关注。3D打印的组织工程支架在精确性、孔隙调节、内部结构和个性化等方面都具有独特的优势，在骨组织再生、药物缓释、软组织修复和概念模型等领域发展迅速。目前常用于3D打印的材料主要包括金属材料、生物陶瓷、人工合成高分子和天然可降解高分子水凝胶。其中，天然可降解高分子水凝胶具有类细胞外基质结构和良好的生物相容性，在软组织生物构建与器官再生方面具有广阔的应用前景。但是由于水凝胶是由高分子的三维网络与水组成的多元体系，其内部包含的大量的自由水和结合水使得3D打印水凝胶支架存在着一些局限，如无法快速成型、力学强度低等。为改善上述的缺陷，常见的做法是引入光引发剂/光敏剂，赋予高分子以光固化的特性，或采用一些多元体系的复合水凝胶。Roy等(Biomaterials2011,32,6946-6952)采用了紫外光引发聚合交联的方法，得到了三层的聚乙二醇-透明质酸-多肽-硫酸软骨素复合水凝胶支架，模拟了软骨组织的多层结构。Johnson等(Adv.Funct.Mater.2015,25,6205-6217)采用海藻酸钠、氯化钙、硅酮、明胶-丙烯酸酯等材料，3D打印出包含感觉神经与运动神经双通道的神经导管，用于大鼠的10mm双叉坐骨神经缺损的修复中，取得了良好的修复效果。TinaVermonden团队采用聚乙二醇、N-羟基琥珀酰亚胺、透明质酸的复合体系，并通过化学交联制备得到可打印的水凝胶材料，该水凝胶具有热塑性，在低浓度下仍可保持支架的规整度(J.Mater.Chem.B2015,3,9067-9078)。然而，上述方法往往成型体系复杂，步骤繁琐，条件苛刻，光敏剂、交联剂等添加物的生物相容性仍有待验证，极大地制约了产业转化。而且，目前为止3D打印水凝胶普遍存在着内部结构不精细的缺陷，使得3D打印技术的精确性的优点大大削弱(Biomaterials2010,31,6173–6181)。因此，如何将3D打印技术与合适的水凝胶材料相结合，并通过怎样的简便方式提高精度，是一项亟待解决的难题。智能水凝胶是一类对温度、盐浓度、pH、光等外部刺激具有高度响应性的材料，通过改变外部环境，可以实现水凝胶多种性能的变化，使之力学强度、空间结构和精度等达到预期要求。中国专利公开号CN101284884A公开了一种温敏性壳聚糖衍生物的制备方法，得到的羟丁基壳聚糖在生理温度下即具有良好的温敏性，且对温度具有较快的响应速度。中国专利公开号CN103172762A公开了一种预防脑脊液漏的医用级温敏性壳聚糖封闭剂的制备方法，通过独特的盐析法和相转变法，得到了具有良好的生物力学性能与生物相容性的温敏性壳聚糖制剂。因此，上述的羟丁基壳聚糖是一种对温度和离子强度具有高度响应性的智能水凝胶，其快速成型性、良好的力学性能和生物相容性，以及温和的外界刺激条件，都说明了它可以作为一种适用于3D打印的水凝胶材料。同时，利用其温度与无机盐致水凝胶网络均匀收缩的特性，可使初步成型的3D水凝胶支架的精度得到进一步提高，有利于在较为宏观的尺度下构建精细的内部结构。然而目前仍然没有将羟丁基壳聚糖智能水凝胶与3D打印技术相结合的相关报道。综上，将3D打印技术与具有温度、离子强度高度响应性的羟丁基壳聚糖智能水凝胶相结合，可以弥补其他方法制备的3D打印水凝胶支架的不足，具有非常重要的理论与实际意义和较强的可行性。制备得到的水凝胶支架可广泛应用于组织工程和软组织的修复中。创新点本专利技术巧妙地将羟丁基壳聚糖智能水凝胶与3D打印技术相结合，利用羟丁基壳聚糖水凝胶对温度、离子强度的高度响应性，仅需调控温和的外部条件，即可非常方便地得到快速成型的、力学强度高、具有精细结构的3D打印水凝胶支架。本专利技术弥补了其他3D打印水凝胶制备方法的不足，可在较为宏观的尺度下构建精细的内部结构，同时制备过程中无需引入任何光敏剂和交联剂，体系简单，工艺温和，技术路线环保，成本低廉，利于产业化。制备得到的3D打印羟丁基壳聚糖智能水凝胶支架，其孔隙率、内部结构等具有较宽的可控范围，精度高，力学性能与生物相容性良好，可广泛应用于软骨、皮肤、血管、神经、心肌等组织工程和组织的修复中。附图说明图1为本专利技术实施例(1)中利用3D打印机制备的不同孔隙率的羟丁基壳聚糖智能水凝胶支架。其中，A、B、C的线条间距分别为2、3、4mm。标尺为10mm。图2为本专利技术实施例(1)中3D打印的羟丁基壳聚糖水凝胶支架相变前后的宏观形貌与显微俯视光镜图。图3为本专利技术实施例(1)中3D打印的羟丁基壳聚糖水凝胶支架的扫描电镜(SEM)图。图4为本专利技术实施例(1)中RSC96大鼠雪旺细胞在3D打印的羟丁基壳聚糖水凝胶支架中培养3天后的SEM图。图5为本专利技术实施例(1)中RSC96大鼠雪旺细胞在3D打印的羟丁基壳聚糖水凝胶支架中培养7天后的Live/Dead染色图。图6为本专利技术实施例(2)中3D打印的羟丁基壳聚糖水凝胶支架的宏观形貌(A)与显微俯视光镜图(B)。A中标尺为10mm，B中标尺为1mm。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于3D打印技术的羟丁基壳聚糖智能水凝胶支架及其制备方法。本专利技术所述支架采用单一体系的、对温度和离子强度具有高度响应性的智能水凝胶—羟丁基壳聚糖，利用其温度与离子强度致溶胶-凝胶相变的特性，首先通过调控水凝胶打印温度、3D打印参数和成型温度得到成型性好的水凝胶支架，然后经过温度与无机盐致相变使水凝胶网络均匀收缩，进一步提高3D支架的力学强度与精度。制备出的3D水凝胶支架能快速成型，具有较高的力学强度、精细的内部结构、较宽的可控范围以及良好的生物相容性，可广泛应用于软骨、皮肤、血管、神经、心肌等组织工程和组织的修复中。本专利技术的具体技术方案如下：一种基于3D打印技术的羟丁基壳聚糖智能水凝胶支架的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)可用于3D打印的水凝胶的制备：取羟丁基取代度为1.0～3.0的羟丁基壳聚糖，溶于纯水中配置成6.0～10.0mg/mL的溶胶，装载于3D打印料筒中，在0～5℃下静置除泡，而后置于25～37℃的水浴中升温10～20min，使之发生凝胶化转变，得到可用于3D打印的水凝胶。(2)3D打印羟丁基壳聚糖水凝胶支架：利用3D生物打印机，调节3D打印参数，分别为：料筒温度为25～37℃，针头内径为0.18～0.60mm，打印速度为3～8mm/s，XY轴线间距为0.5～5.0mm，Z轴步进高度为0.2～0.6mm，挤出气压为1.4～3.5Bar，打印平台温度为30～45℃。最后得到初步成型的3D打印羟丁基壳聚糖水凝胶支架。(3)羟丁基壳聚糖水凝胶3D支架的相转变固化：将初步成型的水凝胶3D支架浸泡于10～40mM的PBS或NaCl水溶液中，置于30～45℃的水浴中发生相转变固化，水凝胶3D支架强度提高，尺寸均匀收缩。12～72h后，将3D支架浸泡于纯水中漂洗以去除灰分，最后经冷冻干燥成型。本专利技术通过调控温度与离子强度，在温和的外界条件下，使羟丁基壳聚糖本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于3D打印技术的羟丁基壳聚糖智能水凝胶支架的制备方法，其特征在于包括以下制备步骤：（1）可用于3D打印的水凝胶的制备：将一定浓度的羟丁基壳聚糖装载于3D打印料筒中，在低温下静置除泡，而后置于水浴中升温使之发生凝胶化转变，得到可用于3D打印的水凝胶;（2）3D打印羟丁基壳聚糖水凝胶支架：利用3D生物打印机，通过调节料筒温度、针头直径、打印速度、XY轴线间距、Z轴步进高度、挤出气压、打印平台温度等打印参数，将步骤（1）中所述的水凝胶3D打印出具有精细结构的支架;（3）羟丁基壳聚糖水凝胶3D支架的相转变固化：将步骤（2）中所述的水凝胶3D支架浸泡于一定浓度的盐溶液中，在一定温度下发生相转变固化，水凝胶3D支架强度提高，尺寸均匀收缩，固化后的3D支架浸泡于纯水中漂洗以去除灰分，最后经冷冻干燥成型。

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印技术的羟丁基壳聚糖智能水凝胶支架的制备方法，其特征在于包括以下制备步骤：（1）可用于3D打印的水凝胶的制备：将一定浓度的羟丁基壳聚糖装载于3D打印料筒中，在低温下静置除泡，而后置于水浴中升温使之发生凝胶化转变，得到可用于3D打印的水凝胶;（2）3D打印羟丁基壳聚糖水凝胶支架：利用3D生物打印机，通过调节料筒温度、针头直径、打印速度、XY轴线间距、Z轴步进高度、挤出气压、打印平台温度等打印参数，将步骤（1）中所述的水凝胶3D打印出具有精细结构的支架;（3）羟丁基壳聚糖水凝胶3D支架的相转变固化：将步骤（2）中所述的水凝胶3D支架浸泡于一定浓度的盐溶液中，在一定温度下发生相转变固化，水凝胶3D支架强度提高，尺寸均匀收缩，固化后的3D支架浸泡于纯水中漂洗以去除灰分，最后经冷冻干燥成型。2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的羟丁基壳聚糖智能水凝胶支架的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的羟丁基壳聚糖，浓度为6.0~10.0mg/mL，羟丁基取代度为1.0~3.0，在0~5℃下静置除泡，而后置于25~37℃的水浴中升温10~20min，得到可用于3D打印的水凝胶，其储能模量为260~1000Pa，损耗模量为150~240Pa。3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的羟丁基壳聚糖智能水凝胶支架的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的3D打印参数包括，料筒温度为25~37℃，针...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏长征，王晓彤，蒋丽霞，
申请(专利权)人：上海其胜生物制剂有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31