改性生物聚合物和其在3D打印中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种改性生物聚合物及其制备方法、改性生物聚合物生物墨水和其应用。所述改性生物聚合物包括生物聚合物主链，在所述生物聚合物主链上接枝有脲基嘧啶酮基团和酪胺基团。所述改性生物聚合物生物墨水包括溶剂和溶解于所述溶剂中的改性生物聚合物，还包括由所述改性生物聚合物负载的生物功能成分，其中，所述改性生物聚合物为本发明专利技术改性生物聚合物。所述改性生物聚合物具有良好的粘度，并且具有粘度随温度可调特性，同时还具有直接在室温下进行自身凝固特性，且凝固形成的凝胶有良好的力学性能。所述改性生物聚合物生物墨水同时具有良好的粘度和生物相容性，特别适于3D打印，可以直接打印成型生物支架，避免了额外添加对生物组分有害的如交联剂等成分。

Modified biopolymer and its application in 3D printing

The invention discloses a modified biopolymer, a preparation method thereof, a modified biopolymer bio ink and an application thereof. The modified biopolymer comprises a biopolymer main chain, on which a urea pyrimidine group and a tyramine group are grafted. The modified biopolymer bio ink includes a solvent and a modified biopolymer dissolved in the solvent, and also a biological functional component loaded by the modified biopolymer, wherein the modified biopolymer is the modified biopolymer of the invention. The modified biopolymer has good viscosity, has viscosity adjustable temperature characteristics, and also has direct solidification characteristics at room temperature, and the gel formed by solidification has good mechanical properties. The modified biopolymer bio ink has good viscosity and biocompatibility at the same time, and is particularly suitable for 3D printing. It can directly print and form the bio scaffold, avoiding the addition of components harmful to the biological components such as crosslinking agent.

【技术实现步骤摘要】
改性生物聚合物和其在3D打印中的应用
本专利技术属于生物材料
，具体涉及一种改性生物聚合物及其制备方法、生物墨水和其应用。
技术介绍
在三维打印技术的基础上，三维生物打印通过负载细胞和生长因子，在制备人造器官与组织、实现个性化治疗和药物筛选等领域上具有很大的发展潜力。微挤出打印作为最为广泛应用的生物打印方式，限制其快速发展和临床应用的最重要问题之一是缺乏兼具优异打印性能和生物活性的生物墨水。通常，用于三维生物打印的生物墨水需具备以下性能：a).生物活性：保证细胞具有高的存活率，良好的铺展、增殖和分化能力；b).快速成型能力：快速成型能力是保证高精度打印的基础；c).可控的降解性能：保证生物打印类器官良好地应用于组织工程领域。胶原广泛地存在于动物组织中，作为细胞外基质的主要成分之一。从胶原中获取的生物聚合物具有和胶原类似的结构，保证了良好的细胞相容性，同时也具有成本低，利于获取等优点。因此，胶原被广泛地用于生物墨水的基础材料，其中最具代表性的即是甲基丙烯酸改性的生物聚合物生物墨水。然而，此类生物聚合物基的墨水粘度非常低，不适合用于精确三维结构的构建，而且后续的交联需要加入有毒的引发剂和进行对细胞有伤害的紫外光照射。目前为了改进生物聚合物基生物打印墨水打印性能和温和条件下成型的问题，已公开的有研究者在生物聚合物墨水中加入增稠剂从而实现生物聚合物墨水的可打印性。但是光交联体系对细胞的后续功能发挥带来了不确定因素，生物活性依然不足。针对交联方式的生物活性问题，研究者通过在生物聚合物上接枝酪胺，在室温下通过温和的酶交联方式，实现了交联过程中细胞活性良好的维持，但是仅靠这种交联方式难以实现材料的可打印性。由上述可知，现有技术生物墨水依然会导致如下的一些弊端：a).无法同时解决生物聚合物基生物墨水良好打印性和后续良好的生物活性；b).无法打印复杂的生物聚合物生物支架；c).无法包载不同的细胞进行精确打印，用于进一步的组织工程应用。因此，如何研发一种能够有效解决该些弊端的生物墨水是本领域技术人员一直努力解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的所述不足，提供一种改性生物聚合物及其制备方法，以解决现有生物聚合物作为生物墨水基材导致的墨水粘度非常低不适合用于精确三维结构的构建和交联过程中降低生物活性的技术问题。本专利技术的另一目的在于提供一种改性生物聚合物生物墨水和其应用，以克服现有生物聚合物基墨水无法同时解决生物聚合物基生物墨水良好精确打印性和后续良好的生物活性的技术问题。为了实现所述专利技术目的，本专利技术一方面，提供了一种改性生物聚合物。所述改性生物聚合物包括生物聚合物本体的主链，在所述主链上接枝有脲基嘧啶酮基团和酪胺基团。本专利技术另一方面，提供了一种改性生物聚合物的制备方法。所述改性生物聚合物的制备方法包括如下步骤：将含带异氰酸基团的脲基嘧啶酮与含有胺基和/或羧基的生物聚合物本体于第一反应溶剂中进行脲基化反应，生成脲基嘧啶酮接枝的生物聚合物；将所述脲基嘧啶酮接枝的生物聚合物与含酪胺基团的化合物在含催化剂的第二反应溶剂中进行缩合反应，获得脲基嘧啶酮基团和酪胺基团修饰的改性生物聚合物。本专利技术又一方面，提供了一种生物墨水。所述生物墨水包括溶剂和溶解于所述溶剂中的生物聚合物，所述生物墨水还包括由所述生物聚合物负载的生物功能成分，其中，所述生物聚合物为本专利技术改性生物聚合物。同时，本专利技术还提供了本专利技术生物墨水的应用方法。具体的所述生物墨水在3D打印中的应用。本专利技术再一方面，提供了一种生物支架。所述生物支架是由本专利技术生物墨水制备而成。同时，本专利技术还提供了一种生物支架的制备方法。所述生物支架的制备方法包括如下步骤：以本专利技术生物墨水为原料进行3D打印处理。与现有技术相比，本专利技术改性生物聚合物通过采用脲基嘧啶酮基团和酪胺基团改性，使得所述改性生物聚合物具有良好的粘度，并且具有粘度随温度可调特性，同时所述改性生物聚合物还具有直接在室温下进行自身凝固特性，且凝固形成的凝胶有良好的力学性能。因此，所述改性生物聚合物特别适于作为生物墨水用于3D打印，有效避免了额外添加对生物活性成分有害的引发剂和进行有害的紫外光照射，有效提高了所述改性生物聚合物的生物相容性和生物活性成分活性。本专利技术改性生物聚合物制备方法能够实现在生物聚合物本体的主链上有效接枝脲基嘧啶酮基团和酪胺基团，实现对生物聚合物本体的修饰改性，从而赋予生成的改性生物聚合物良好的粘度和自身凝固特性以及凝固形成的凝胶良好的力学性能。而且所述明改性生物聚合物制备方法能够保证生成的改性生物聚合物性能稳定，而且条件易控，效率高。本专利技术生物墨水由于含有本专利技术改性生物聚合物，因此，所述生物墨水具有良好的粘度，而且粘度随温度可调，同时还具有自身凝固特性，因此，所述生物墨水同时具有良好的粘度和生物相容性，特别适于3D打印，可以直接打印成型，避免了额外添加对生物组分有害的如交联剂等成分。本专利技术生物支架由于是采用本专利技术生物墨水采用3D直接打印成型，因此，所述生物支架精度高，而且负载的生物活性成分活性高，因此，所述生物支架的生物活性高。附图说明图1为本专利技术实施例改性生物聚合物制备方法的工艺流程示意图；图2为本专利技术实施例改性生物聚合物制备方法中含有异氰酸基团的脲基嘧啶酮与生物聚合物进行脲基化反应、所述脲基嘧啶酮接枝的生物聚合物与含酪胺基团的化合物进行缩合反应的化学式示意图；图3为本专利技术实施例生物墨水打印的生物支架以及对所述生物支架进行交联反应后的生物支架结构示意图；其中，图3A为本专利技术实施例生物墨水打印的生物支架结构示意图和生物支架中改性生物聚合物分子结构示意图；图3B为图3A所示打印的生物支架经交联处理中改性生物聚合物分子发生交联结构示意图；图3C为图3A所示打印的生物支架经交联处理后的发生交联后的改性生物聚合物分子结构示意图；图4为本专利技术实施例11提供的改性生物聚合物的溶液的温敏感应性能和力学性能图；其中，图4A为改性生物聚合物的溶液凝固后形成的凝胶力学性能图，图4B为改性生物聚合物的溶液的温敏感应性能图；图5为本专利技术实施例21-23提供的生物墨水的照片和各自可打印性结论图；其中，图5A为实施例21-23提供的生物墨水的照片，图5B为实施例21-23提供的生物墨水在相应温度下可打印性结论图；图6为实施例31打印成的二维结构生物支架结构示意图；其中，图6B为图6A中a局部放大图，图6D为图6C中b局部放大图，图6E为图6C所示二维结构生物支架进行活性细胞染色图；图7为实施例31打印成的三维结构生物支架结构示意图；其中，图7B为图7A的局部放大图，图7C为图7A所示三维结构生物支架进行活性细胞染色图；图8为实施例31打印成的三维仿生器官模型支架结构示意图；图9为实施例32提供的三维生物支架中细胞进行活死染色后的存活、铺展和增殖情况表征图。具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改性生物聚合物，包括生物聚合物本体的主链，其特征在于：在所述主链上接枝有脲基嘧啶酮基团和酪胺基团。/n

【技术特征摘要】
1.一种改性生物聚合物，包括生物聚合物本体的主链，其特征在于：在所述主链上接枝有脲基嘧啶酮基团和酪胺基团。


2.根据权利要求1所述的改性生物聚合物，其特征在于：所述脲基嘧啶酮基团是通过所述脲基嘧啶酮基团所含的脲基接枝在所述主链上；和/或
所述酪胺基团是通过-CO-NH-接枝在所述主链上；和/或
所述生物聚合物本体为含有胺基和/或羧基的生物聚合物。


3.根据权利要求2所述的改性生物聚合物，其特征在于：所述脲基嘧啶酮基团是通过将含有异氰酸基团的脲基嘧啶酮与所述生物聚合物进行反应接枝于所述主链上。


4.根据权利要求2所述的改性生物聚合物，其特征在于：所述脲基嘧啶酮基团是通过将接枝有所述脲基嘧啶酮基团的所述生物聚合物与含酪胺基团的化合物进行缩合反应接枝于所述主链上。


5.根据权利要求1-4任一项所述的改性生物聚合物，其特征在于：所述脲基嘧啶酮基团在所述改性生物聚合物中的含量为0.1-0.2mMg-1；
所述酪胺基团在所述改性生物聚合物中的含量为0.1-0.5mMg-1；
所述生物聚合物本体包括明胶、聚乙烯醇、海藻酸、透明质酸、羧甲基壳聚糖中的至少一种。


6.一种改性生物聚合物的制备方法，包括如下步骤：
将含有异氰酸基团的脲基嘧啶酮与含有胺基和/或羧基的生物聚合物本体于第一反应溶剂中进行脲基化反应，生成脲基嘧啶酮接枝的生物聚合物；
将所述脲基嘧啶酮接枝的生物聚合物与含酪胺基团的化合物在含催化剂的第二反应溶剂中进行缩合反应，获得脲基嘧啶酮基团和酪胺基团修饰的改性生物聚合物。


7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，将所述含带有异氰酸基团的脲基嘧啶酮与生物聚合物于第一反应溶剂中进行脲基化反应的条件至少满足如下至少一种条件：
所述含有异氰酸基团的脲基嘧啶酮与生物聚合物的质量比为1：(10-30)；
所述生物聚合物与所述第一反应溶剂的质量比为1：(15-20)；
所述第一反应溶剂为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、四氯化碳、乙醚中的至少一种。


8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：将所述脲基嘧啶酮接枝的生物聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮长顺，何慧敏，林子锋，吴明明，李铎，
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