用于三维打印的粘土基水凝胶基质及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种粘土基水凝胶基质，所述粘土基水凝胶基质包括如下质量百分含量的原料组分：交联剂：10‑50％；无机粘土：3‑20％；紫外光引发剂：0.05‑0.1％；水：30‑86％；上述各原料组分的总质量百分含量为100％；其中，所述交联剂为带碳碳双键的生物相容大分子，所述生物相容大分子为聚乙二醇、聚乙烯醇、壳聚糖、明胶和透明质酸中的一种或多种。所述粘土基水凝胶基质的配方简单、成分安全，其粘度合适、具有一定的预形状，适合连续挤出的三维支架打印，可实现先打印，后固化成胶，批量打印三维凝胶支架，大大提高了三维支架的打印效率。本发明专利技术还提供了基于该粘土基水凝胶基质的制备方法及应用。

Clay based hydrogel matrix for three-dimensional printing, method for the preparation thereof and use thereof

The invention provides a clay based hydrogel matrix material, the group of clay based hydrogel matrix includes the following content: 50%: 10 crosslinking agent; inorganic clay: 3 20%; photoinitiator: 0.05 0.1%; water: 30 86%; total weight percent of the raw materials component 100%; wherein, the cross-linking agent is compatible with large molecular biological carbon carbon double bond, the biocompatible macromolecule as one or more polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, chitosan, gelatin and hyaluronic acid. The clay based hydrogel matrix formula is simple and safety components, its suitable viscosity, has certain pre shape, suitable for three-dimensional printing continuous extrusion, can achieve the first printing, post curing glue, batch printing three-dimensional gel stent, greatly improving the efficiency of the three-dimensional printing. The invention also provides a preparation method and application of the hydrogel base based on the clay.

【技术实现步骤摘要】
用于三维打印的粘土基水凝胶基质及其制备方法和应用
本专利技术涉及生物材料
，具体涉及一种用于三维打印的粘土基水凝胶基质及其制备方法和应用。
技术介绍
水凝胶是一种通过共价键、氢键或范德华力等作用相互交联构成的具有三维网状结构、能在水中溶胀并保持大量水分而又不溶解的聚合物.由于天然或合成的聚合物水凝胶在结构及性能上与生物体组织相似，因此近20年来，水凝胶一直是生物医用工程领域，特别是组织工程方面的诊断、治疗、修复或替换人体组织器官或增进其功能与生长因子、药物和基因载体等的一个研究热点。热聚合、紫外聚合是水凝胶制备中较常用的聚合方法。其中热聚合在凝胶体系中加入热引发剂后，聚合时间不可控，需要随时调整打印时所需压力，或可能由于聚合过快，造成后期无法打印的问题。而采用紫外光对三维支架进行固化，则不存在上述问题，它可以在打印凝胶浆料的同时对其进行固化，但该方法对凝胶浆料的要求较高，需要其在较短时间内发生紫外交联成胶，否则打印出的凝胶支架的结构无法良好地保持，因此大大缩小了材料的可选择性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种可用于三维打印中紫外光固化的粘土基水凝胶基质，所述粘土基水凝胶基质包括特定配比的无机黏土、带碳碳双键的生物相容大分子、紫外光引发剂和水，其配方简单、成分安全，所述粘土基水凝胶基质在经紫外光交联前具有一定的预形状，可实现先打印，后固化成胶，批量打印三维凝胶支架，大大提高了三维打印效率。第一方面，本专利技术提供了一种用于三维打印的粘土基水凝胶基质，所述粘土基水凝胶基质包括如下质量百分含量的原料组分：交联剂：10-50％；无机粘土：3-20％；紫外光引发剂：0.05-0.1％；水：30-86％；上述各原料组分的总质量百分含量为100％；其中，所述交联剂为带碳碳双键的生物相容大分子，所述生物相容大分子为聚乙二醇、聚乙烯醇、壳聚糖、明胶、透明质酸中的一种或多种。本专利技术通过上述特定质量配比的各种原料的协同作用，获得的所述粘土基水凝胶基质具有适宜的打印粘度和强度，在紫外光交联前具有一定的预形状。在常温下可以将所述粘土基水凝胶基质打印成力学强度、拉伸性能较好的稳定三维凝胶支架前驱体，便于后期对支架前驱体进行统一的紫外光固化，得到三维凝胶支架。所述粘土基水凝胶基质适用于批量打印制得三维打印凝胶支架，大大提高了三维打印效率，非常适合工业化生产。在紫外光的作用下，本申请的所述粘土基水凝胶基质中，所述交联剂的碳碳双键之间发生交联，形成的聚合物长链穿插在无机黏土的有序片层结构中，形成三维网络结构的水凝胶，使得凝胶形状得以保持，同时无机粘土也充当物理交联的作用，其与带碳碳双键的生物相容大分子之间形成的氢键作用、范德华力等，也使得打印出的三维凝胶支架的强度进一步提高，充分发挥物理交联与化学交联的协同效应。提高凝胶支架的稳定性。所述无机粘土可以选自高岭土、膨润土、蒙脱土、锂皂石(laponite，锂藻土)、锂蒙脱石(hectorite)、贝得石、皂石、硅镁石、硅酸镁铝、其它硅酸铝和各种其它天然和/或合成的粘土，以及它们的组合。优选地，所述无机粘土的粒径不超过500nm。进一步优选为50-200nm。在本专利技术的一优选实施方式中，所述无机粘土为锂皂石粘土。该锂皂石粘土可以在水中快速剥离分散成单片层，形成无色透明的胶体分散液，稳定性好。该黏土可以为购买自Rockwood公司的LaponiteXLG。LaponiteXLG是合成的层状粘土(layeredclay)，与天然蒙脱石类似。本申请中，无机黏土的加入，可有效提高水凝胶支架的强度，无机黏土相当于充当了物理交联剂的作用。此外，控制所述无机黏土的含量可以调控所述粘土基水凝胶基质的粘度，使所述粘土基水凝胶基质具有一定的预形状，可以实现先打印后固化。优选地，所述粘土基水凝胶基质的粘度为30-350Pa·s。待打印的所述粘土基水凝胶基质应该具有一定的粘度，粘度过高，流动性较差，打印时需要的压力过大，且材料不容易混匀；溶液黏度过低，流动性太高，打印时塑形困难，支架会发生塌陷，无法保持预形状。本申请中，将无机粘土的含量控制在3％-20％之间，可以使所述粘土基水凝胶基质的粘度控制在30-350Pa·s。进一步优选地，所述无机黏土的质量百分含量为5-15％。更优选为8-15％。当所述无机黏土的质量百分含量提高至8％以上，所述粘土基水凝胶基质达到较高的黏度，其打印成的凝胶支架前驱体经固化后，固化的凝胶支架的拉伸率可以达到5000％左右，力学强度有了明显提高。优选地，所述粘土基水凝胶基质包括如下质量百分含量的原料组分：交联剂：10-50％；无机粘土：5-15％；紫外光引发剂：0.05-0.1％；水：35-84％；上述各原料组分的总质量百分含量为100％。进一步优选地，所述粘土基水凝胶基质的粘度为50-250Pa·s。更优选为100-200Pa·s。本申请中，带碳碳双键的生物相容大分子的成胶效果较好，在所述无机粘土与水形成的分散液中，不需要额外添加化学交联剂，经紫外光聚合，即可得到强度较高的凝胶结构。形成的三维凝胶支架的毒性低，细胞相容性好。在提供细胞(例如成骨细胞以及骨髓间充质干细胞)生长所需的三维环境的同时，对细胞起到促进其黏附、生长与增殖的作用。在本专利技术一实施方式中，所述交联剂的分子链的至少一端带有碳碳双键。所述交联剂可以为甲基丙烯酸、丙烯酸、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)修饰的明胶、透明质酸、聚乙烯醇等。例如可以是甲基丙烯酸修饰的明胶，丙烯酸修饰的透明质酸、丙烯酸修饰的聚乙烯醇、低分子量(分子量小于1000道尔顿)的PEGDA修饰的壳聚糖等。在本专利技术另一实施方式中，所述交联剂的分子链的至少一端带有碳碳双键，所述交联剂的分子链中间为聚乙二醇的主链结构。进一步优选地，所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯。所述交联剂除了可促进凝胶形成、提高凝胶力学强度外，还可以通过控制其分子量和固含量，以达到控制细胞在制得的支架上黏附、生长、增殖甚至分化等目的。例如，聚乙二醇分子量为4000，固含量为20％时，细胞能够在支架上黏附及伸展情况良好；但当聚乙二醇的分子量为10000以上时，细胞在支架上成球形，不能很好地展开，细胞增殖行为相对较弱。优选地，所述交联剂中，聚乙二醇的主链结构的分子量为1000-10000。例如可以为2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000、5500、6000、6500、7000、7500、8000或9000。进一步优选为2000-8000。本申请中，所述交联剂的质量百分含量为10-50％。例如可以为15％、20％、25％、30％、35％、40％或45％。进一步优选为20-40％。优选地，所述粘土基水凝胶基质包括如下质量百分含量的原料组分：交联剂：20-40％；无机粘土：3-20％；紫外光引发剂：0.05-0.1％；水：40-76％；上述各原料组分的总质量百分含量为100％。进一步优选地，所述粘土基水凝胶基质包括如下质量百分含量的原料组分：交联剂：20-40％；无机粘土：5-15％；紫外光引发剂：0.05-0.1％；水：45-74％；上述各原料组分的总质量百分含量为100％。本申请中所选用的紫外光引发剂为生物相容性良好的引发剂，其用量极少，且几乎不会对后期本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于三维打印的粘土基水凝胶基质，其特征在于，所述粘土基水凝胶基质包括如下质量百分含量的原料组分：交联剂：10‑50％；无机粘土：3‑20％；紫外光引发剂：0.05‑0.1％；水：30‑86％；上述各原料组分的总质量百分含量为100％；其中，所述交联剂为带碳碳双键的生物相容大分子，所述生物相容大分子为聚乙二醇、聚乙烯醇、壳聚糖、明胶和透明质酸中的一种或多种。

【技术特征摘要】
1.一种用于三维打印的粘土基水凝胶基质，其特征在于，所述粘土基水凝胶基质包括如下质量百分含量的原料组分：交联剂：10-50％；无机粘土：3-20％；紫外光引发剂：0.05-0.1％；水：30-86％；上述各原料组分的总质量百分含量为100％；其中，所述交联剂为带碳碳双键的生物相容大分子，所述生物相容大分子为聚乙二醇、聚乙烯醇、壳聚糖、明胶和透明质酸中的一种或多种。2.如权利要求1所述的粘土基水凝胶基质，其特征在于，所述交联剂的分子链的至少一端带有碳碳双键，所述交联剂的分子链中间为聚乙二醇的主链结构；所述聚乙二醇的主链结构的分子量为1000-10000。3.如权利要求2所述的粘土基水凝胶基质，其特征在于，所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯。4.如权利要求1所述的粘土基水凝胶基质，其特征在于，所述无机黏土的质量百分含量为5-15％。5.如权利要求1-4任一项所述的粘土基水凝胶基质，其特征在于，所述粘土基水凝胶基质的粘度为30-350Pa·s。6.一种用于三维打印的粘土基水凝胶基质的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮长顺，翟欣昀，马宇飞，潘浩波，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44