一种3D打印高强度生物墨水材料制造技术

本发明专利技术公开一种3D打印高强度生物墨水材料。本发明专利技术双交联网络结构，利用形成β折叠结构的丝蛋白和离子交联的海藻酸构建而成，同时利用明胶的温敏快速成胶性能，实现很好地成型效果。本发明专利技术生物墨水的力学强度可控，显著提高水凝胶强度。针对不同组织应用特性，通过不同材料配比即可制备出一系列不同强度的生物墨水，3D打印可为病人定制化设计，更适合临床上的应用。

A kind of 3D printing high strength biological ink material

The invention discloses a 3D printing high strength bio ink material. The double crosslinked network structure of the invention is constructed by using the silk protein forming the beta folding structure and the ion crosslinked alginate, and using the gelatin's temperature sensitive and rapid gelation performance to achieve a good molding effect. The mechanical strength of the biologic ink is controllable, and the strength of the hydrogel is remarkably improved. In view of the application characteristics of different tissues, a series of different intensities of biological ink can be prepared by different material proportions. 3D printing can be designed for patient customization, which is more suitable for clinical application.

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印高强度生物墨水材料
本专利技术属于生物医用高分子材料
，特别涉及一种用于3D打印生物支架、组织和器官的生物墨水。
技术介绍
生物3D打印是基于3D打印生物材料(生物因子、细胞和生物相容材料)的过程。其中打印材料常称为生物墨水，一种基于细胞相容的水凝胶。现有的生物墨水根据来源可以分为合成类水凝胶和天然类水凝胶：(1)合成类水凝胶如聚丙烯酰胺(PAAM)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)、普兰尼克等作为打印墨水时成型效果好，但生物相容性需要进一步化学修饰改善，因此安全性尚谨慎考虑；(2)天然类水凝胶如胶原蛋白、纤维蛋白、蚕丝蛋白、明胶、琼脂糖、海藻酸钠等具有良好的生物相容性以及类似细胞外基质的凝胶结构和功能，在生物打印领域广泛应用。现有常用的生物墨水材料体系，大多为单一水凝胶体系或合成类水凝胶、天然类水凝胶其中的二元复合体系，存在机械强度不足，无法适应组织实际应用的情况。目前硬组织打印技术渐为成熟，但软组织如血管、皮肤仍需要进一步完善。软组织在体内受到内外力作用，需要较好的拉伸和压缩性能，相应需要可以用于3D打印高强度生物墨水。尽管最近有高强度水凝胶研究报道，但制备这些水凝胶通常存在有毒的化学试剂(如专利CN106146865A，通过对细胞有毒的有机试剂使水凝胶形成交联网络)或反应过程苛刻(如专利CN104628936A，通过紫外光长时间交联，对于细胞损伤会很大；如专利CN105601950A，材料制备条件需要温度高达95℃)，限制了它们包裹细胞进行打印。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有生物打印墨水的强度不足，提供一种3D打印高强度生物墨水材料,提供具有可调良好力学性能并能负载细胞，以解决的软组织仿生打印问题。本专利技术生物墨水复合不同亲水性生物材料和细胞因子，可以支持不同组织细胞的增殖与分化。本专利技术3D打印高强度生物墨水材料为多元材料体系，主要利用形成β折叠结构的丝蛋白和离子交联的海藻酸构建而成双交联网络结构，同时利用明胶的温敏快速成胶性能，实现很好地成型效果。在这三元材料体系基础上，复合其他亲水性生物材料、细胞因子及生物细胞，进一步提升生物墨水的生物性能及功能。其中丝蛋白(又称蚕丝蛋白)作为一种纯天然高分子材料，因其良好的力学性能、生物相容性和可降解性，在组织工程领域极具应用前景。丝蛋白可由蚕茧或蚕丝脱胶制备出再生蚕丝蛋白溶液而得，其中丝蛋白占蚕茧的70-75wt％。丝蛋白溶液，大多以无规线团构象存在，在一定的外界条件(如升温、降低pH值、电场、加入金属离子、超声、涡旋或添加水溶性有机物等)均可诱导和促进蚕丝蛋白构象由无规线团向β折叠转变。通过β折叠结构这一物理交联方式形成蚕丝蛋白水凝胶，可应用于再生医学领域。其中海藻酸源自海藻和细菌，是一种无毒性、成胶条件温和的天然多糖。线性海藻酸结构，由β-D-甘露糖醛酸(M单体)和α-L-古洛糖醛酸(G单体)依靠β-1,4-糖苷键形成的交替共聚物或嵌段共聚物。可以通过二价阳离子(Zn2+，Ni2+，Co2+，Ca2+，Ba2+，Sr2+等)快速螯合M单体和G单体上的羧基基团，形成交联网络结构，应用于细胞包裹及组织工程。其中明胶是胶原蛋白的部分水解产物，没有固定的化学结构且分子量分布较宽。经化学预处理后的胶原蛋白在高温作用下发生结构重组，胶原分子的螺旋结构转变为线性结构，变成可溶性的明胶，并可在一定温度条件下发生快速凝胶化。上述3D打印高强度生物墨水材料采用以下方法制备得到：步骤(1)、在质量分数为0.5～20％的海藻酸溶液中加入明胶溶液，混合均匀后得到海藻酸-明胶混合液；其中明胶质量含量为2～30％；步骤(2)、在浓度为2～2000mg/ml多元醇溶液中加入丝蛋白溶液，混合均匀后得到丝蛋白-多元醇混合液；其中丝蛋白质量含量为2～30％；所述的多元醇包括并不限于：木糖醇、丙二醇、丙三醇中的一种或几种；步骤(3)、将步骤(1)溶液加入到步骤(2)溶液中，30～80℃环境下搅拌10min～6h，充分溶解均匀，尽量避免气泡，得到水凝胶液。其中，步骤(1)，海藻酸和明胶混合均匀后的效果，为二元材料体系的生物墨水；步骤(2)，丝蛋白和多元醇混合均匀后的效果，为由多元醇诱导形成β折叠的丝蛋白水凝胶；步骤(3)，上述两个体系混合形成双交联网络结构，提高生物墨水强度，通过浓度配制出一定范围内控制生物墨水的强度。该制备步骤为优化步骤，如果材料混合步骤更换，如海藻酸和丝蛋白混合后与明胶共混或明胶和丝蛋白混合后与海藻酸共混，会存在生物墨水稳定性较差，由于丝蛋白溶液，混均搅拌过程也会形成β折叠。作为优选，根据打印样品不同的应用，步骤(1)中还可加入亲水性生物材料；产物水凝胶液中亲水性生物材料的质量含量为0.1～50％；所述的亲水性生物材料包括并不限于：琼脂糖、壳聚糖、纳米纤维素、透明质酸、基质胶、胶原蛋白、角蛋白的一种或几种；作为优选，根据打印样品不同的应用，步骤(3)中还可加入细胞生长因子；产物水凝胶液中细胞生长因子的浓度为0.1-1000ng/mL；所述的细胞生长因子包括并不限于：表皮生长因子、内皮生长因子、胶质细胞生长因子、成纤维细胞生长因子、多肽生长因子中的一种或几种；作为优选，根据打印样品不同的应用，步骤(3)中还可加入生物细胞；产物水凝胶液中产物水凝胶液中生物细胞的浓度为0.5百万个/mL-300百万个/mL；所述的生物细胞包括并不限于：动物细胞、植物细胞、真菌、细菌中的一种或几种。应用过程：用3D生物打印机将上述本专利技术生物墨水材料依照CAD模型打印，打印时针筒温度设定为0～40℃，有利于生物墨水顺畅挤出。打印平台温度设置为-40～40℃，有利于打印材料挤出立即成型。打印后，用强化液进行交联后固化1min～24h，得到定型的凝胶材料，其中强化液含有质量分数为1～50％的二价阳离子溶液和浓度10～2000mg/ml的多元醇溶液。所述的二价阳离子溶液包括并不限于：氯化钙溶液、硫酸锌溶液、氯化钡溶液中的一种或几种；多元醇包括并不限于：木糖醇、丙二醇、丙三醇中的一种或几种。本专利技术的有益效果是：本专利技术生物墨水都是水溶性天然高分子，其成分细胞生物相容性和生物降解性好，促进细胞的黏附、增殖和分化，降解后无毒安全，可包裹细胞进行3D生物打印；整个材料制备过程与打印过程，不涉及对细胞有毒试剂和有害过程；本专利技术生物墨水的力学强度可控，显著提高水凝胶强度。针对不同组织应用特性，通过不同材料配比即可制备出一系列不同强度的生物墨水，3D打印可为病人定制化设计，更适合临床上的应用。附图说明图1为生物墨水的流变学表征：a为不同剪切速率下的生物墨水的粘度变化；b为不同角速度下的生物墨水的弹性模量(G′)和粘性模量(G″)变化；c为不同温度下的生物墨水粘度变化；d为不同温度下的生物墨水的G′和G″变化；图2为SEM表征3D打印模型支架(a,b)。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。实施例1：1)在质量浓度为20％的海藻酸水溶液中加入明胶溶液中，使得明胶的质量含量为2％；2)浓度为200mg/ml的丙三醇溶液中加入丝蛋白溶液，使得混合溶液中的丝蛋白质量分数为30％，并使其混合均匀。3)将上述步骤1溶液，加入步骤2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种3D打印高强度生物墨水材料，其特征在于为多元材料体系，利用形成β折叠结构的丝蛋白和离子交联的海藻酸构建而成双交联网络结构，同时利用明胶的温敏快速成胶性能。

【技术特征摘要】
1.一种3D打印高强度生物墨水材料，其特征在于为多元材料体系，利用形成β折叠结构的丝蛋白和离子交联的海藻酸构建而成双交联网络结构，同时利用明胶的温敏快速成胶性能。2.如权利要求1所述的一种3D打印高强度生物墨水材料，其特征在于多元材料体系是指丝蛋白、海藻酸、明胶等材料组成的复合体系。3.如权利要求1所述的一种3D打印高强度生物墨水材料的制备方法，其特征在于该方法具体是：步骤(1)、在质量分数为0.5～20％的海藻酸溶液中加入明胶溶液，混合均匀后得到海藻酸-明胶混合液；其中明胶质量含量为2～30％；步骤(2)、在浓度为2～2000mg/ml多元醇溶液中加入丝蛋白溶液，混合均匀后得到丝蛋白-多元醇混合液；其中丝蛋白质量含量为2～30％；步骤(3)、将步骤(1)溶液加入到步骤(2)溶液中，30～80℃环境下搅拌均匀，充分溶解，尽量避免气泡，得到水凝胶液。4.如权利要求3所述的一种3D打印高强度生物墨水材料，其特征在于步骤(1)中还可加入亲水性生物材料；产物水凝胶液中亲水性生物材料的质量含量为0.1～50％；所述的亲水性生物材料包括但并不限于：琼脂糖、壳聚糖、纳米纤维素、透明质酸、基质胶、胶原蛋白、角蛋白的一种或几种。5.如权利要求3所述的一种3D打印高强度生物墨水材料，其特征在于所述的多元醇包括但并不限于：木糖醇、丙二醇...

【专利技术属性】
技术研发人员：董世磊，石然，周永勇，闵敏，欧阳杨，王玲，徐铭恩，
申请(专利权)人：杭州捷诺飞生物科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33