胶原基3D打印生物墨水、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种胶原基3D打印生物墨水、其制备方法及应用。本发明专利技术的生物墨水主要由生物相容性的高分子和微量的植物来源多酚等组成，安全无毒，具有高的生物相容性，且制备工艺简单，成本低廉，且其能够在碱性明胶凝固浴中通过三重交联反应快速固化。利用本发明专利技术生物墨水以3D打印方式制得的胶原支架具有较高强度和稳定性，可以作为生物工程支架广泛应用。

Collagen based 3D printing bio ink, its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
胶原基3D打印生物墨水、其制备方法及应用
本专利技术涉及一种生物医学材料，尤其涉及一种胶原基3D打印生物墨水、其制备方法及应用，属于生物工程

技术介绍
3D生物(细胞)打印是近些年发展起来的用于体内外制造组织或器官的增材制造技术，这种新型的组织工程技术可以实现将细胞，生长因子等成分精确地定位在生物支架的各个部位。3D生物打印技术的发展对于解决器官缺损等临床医学难题和个性化医疗与再生医学的发展具有重大意义。对于3D生物打印技术来说，其核心要素之一便是生物墨水的制造。理想的生物墨水通常需具备以下几点要求：(1)快速成型(固化)的能力；(2)反应条件温和适宜细胞生存生长；(3)生物相容性高能与细胞共混打印。现有的3D打印生物墨水存在多种问题，包括：交联速度慢，打印支架达到一定层数之后需要用交联剂进一步交联固化成形；具有一定的细胞毒性，引入的光引发剂，有毒的交联剂戊二醛等使打印的支架难于进一步在生物医学中应用；细胞相容性不高，不能有效促进细胞生长和分化等。例如CN108310463A中的生物墨水制备方法需要将凝胶支架用戊二醛等有毒交联剂固化定性，无法满足实现墨水与细胞共混打印；CN110171131A中的生物墨水制备方法需要加入有毒的光引发剂触发支架固化。CN109575683A中的生物墨水制备方法支架固化时间长达15min-30min，难以实现快速的多层打印。另外，越来越多的合成高分子和其它天然高分子被用于合成3D打印生物墨水，但由于它们不能有效降解或者细胞相容性不高，从而阻止了它们的进一步应用。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种胶原基3D打印生物墨水、其制备方法及应用，从而克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种胶原基3D打印生物墨水，其包括溶剂和溶解于溶剂中的基质，所述基质包含质量比为1:0.001～0.05：1～20的胶原、植物多酚和醛基化的含羟基高分子。本专利技术实施例还提供了一种胶原基3D打印生物墨水的制备方法，其包括：将胶原溶液与植物多酚溶液混合后反应形成胶原-多酚混合凝胶，再将所述胶原-多酚混合凝胶与醛基化的含羟基高分子及溶剂混合；其中，所述胶原、植物多酚和醛基化的含羟基高分子的质量比为1:0.001～0.05：1～20。本专利技术实施例还提供了一种3D打印方法，其包括：提供前述的任一种胶原基3D打印生物墨水，或者利用前述的任一种方法制备胶原基3D打印生物墨水；以及在碱性明胶凝固浴中，利用所述墨水进行3D打印。在一些实施方式中，所述的3D打印方法还包括：在打印结束后，将凝固浴置于35～38℃孵育，待其中的明胶浴溶解后，获得打印好的胶原基支架。与现有技术相比，本专利技术的优点至少在于：(1)模拟了天然细胞外基质的有效成分(主要成分为胶原蛋白和多糖等)，以胶原材料为基础，佐以可降解无毒性高分子和植物来源大分子，合成了一类未添加有毒交联剂的高相容性快速自交联生物墨水，其具有优异的细胞相容性，可与细胞进行共混打印；(2)将所述生物墨水与碱性明胶凝固浴相结合，在生物墨水注入碱性明胶凝固浴中时即可立即发生固化，固化在10s之内发生，反应条件温和，效率高，能获得具有较高稳定性的胶原基支架，且其具有高生物相容性，在生物组织工程等领域具有广泛应用前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1示出了本专利技术实施例1中胶原-单宁酸混合凝胶的圆二色谱分析结果，其中线条1对应于胶原-单宁酸质量比为1:0.01时制备的胶原-单宁酸混合凝胶，线条2对应于胶原-单宁酸质量比为1:0.02时制备的胶原-单宁酸混合凝胶，线条3对应于纯胶原；图2示出了本专利技术实施例1中胶原-单宁酸混合凝胶的红外光谱分析结果，其中线条1对应于胶原-单宁酸质量比为1:0.01时制备的胶原-单宁酸混合凝胶，线条2对应于纯胶原；图3示出了本专利技术实施例1中牛皮来源Ⅰ型胶原的电泳分析结果，其中α1、α2、β分别对应胶原的三条螺旋链；图4示出了本专利技术实施例1所获生物墨水的流变学分析结果；图5a-图5b分别示出了本专利技术实施例1中胶原基支架的设计图、实物图；图6示出了本专利技术实施例1中胶原基支架表面的SEM形貌；图7示出了本专利技术实施例1中采用不同交联方式所获胶原基支架的弹性模量。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。本专利技术实施例的一个方面提供的胶原基3D打印生物墨水，其包括溶剂和溶解于溶剂中的基质，所述基质包含质量比为1:0.001～0.05：1～20的胶原、植物多酚和醛基化的含羟基高分子。在一些实施方式中，所述墨水中基质的浓度为1～60mg/ml。在一些实施方式中，所述溶剂为浓度0.1～1.0wt％的乙酸溶液。在一些实施方式中，所述墨水的pH值为3～4。在一些实施方式中，所述胶原与植物多酚的质量比为1:0.001～0.02，优选为1:0.01～0.02。在一些实施方式中，所述醛基化的含羟基类高分子的来源包括但不限于水溶性透明质酸、葡聚糖、环糊精、淀粉、聚乙二醇中的一种或多种的组合。在一些实施方式中，所述植物多酚包括但不限于单宁酸、表没食子儿茶素、没食子酸中的一种或多种的组合。在一些实施方式中，所述胶原为动物来源胶原，包括但不限于牛皮来源Ⅰ型胶原等。在一些实施方式中，所述醛基化的含羟基类高分子的制备方法包括：在室温下，于保护性气氛中将含羟基类高分子、对醛基苯甲酸与4-二甲氨基吡啶溶于无水有机溶剂中，之后加入N,N'-二环己基碳二亚胺，20～37℃条件下反应15～20h。其中，所述含羟基类高分子、对醛基苯甲酸、4-二甲氨基吡啶与N,N'-二环己基碳二亚胺的分子当量之比可以为1：3～4：0.3～0.4：5～6。所述无水有机溶剂可以采用四氢呋喃等，且不限于此。所述保护性气氛可以选自氮气气氛、惰性气氛或其混合气氛等，且不限于此。本专利技术实施例的另一个方面提供的一种胶原基3D打印生物墨水的制备方法包括：将胶原溶液与植物多酚溶液混合反应制备形成胶原-植物多酚酸混合凝胶，再将所述胶原-植物多酚混合凝胶与醛基化的含羟基高分子及溶剂混合；所述胶原、植物多酚和醛基化的含羟基高分子的质量比为1:0.001～0.05:1～20。在一些实施方式中，所述制备方法具体包括：将固定质量比的胶原和植物多酚分别用溶剂溶解，待完全溶解后在室温下将两种溶液迅速搅拌混合，使得胶原和植物多酚在氢键、疏水作用、π-π共轭物理作用等驱使下形成一种简单凝胶，成胶时间在30s以内。其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种胶原基3D打印生物墨水，其特征在于包括溶剂和溶解于溶剂中的基质，所述基质包含质量比为1:0.001～0.05:1～20的胶原、植物多酚和醛基化的含羟基高分子。/n

【技术特征摘要】
1.一种胶原基3D打印生物墨水，其特征在于包括溶剂和溶解于溶剂中的基质，所述基质包含质量比为1:0.001～0.05:1～20的胶原、植物多酚和醛基化的含羟基高分子。


2.根据权利要求1所述的胶原基3D打印生物墨水，其特征在于：所述墨水中基质的浓度为1～60mg/ml；和/或，所述溶剂为浓度0.1～1.0wt％的乙酸溶液；和/或，所述墨水的pH值为3～4。


3.根据权利要求1所述的胶原基3D打印生物墨水，其特征在于：所述胶原与植物多酚的质量比为1:0.001～0.02，优选为1:0.01～0.02。


4.根据权利要求1所述的胶原基3D打印生物墨水，其特征在于：所述醛基化的含羟基类高分子的来源包括水溶性透明质酸、葡聚糖、环糊精、淀粉、聚乙二醇中的一种或多种的组合；和/或，所述植物多酚包括单宁酸、表没食子儿茶素、没食子酸中的一种或多种的组合；和/或，所述胶原选自动物来源胶原。


5.根据权利要求1所述的胶原基3D打印生物墨水，其特征在于，所述醛基化的含羟基类高分子的制备方法包括：在室温下，于保护性气氛中将含羟基类高分子、对醛基苯甲酸与4-二甲氨基吡啶溶于无水有机溶剂中，之后加入N,N'-二环己基碳二亚胺，20～30℃条件下反应15～20h，其中，含羟基类高分子、对醛基苯甲酸、4-二甲氨基吡啶与N,N'-二环己基碳二亚胺的分子当量之比为1：3～4：0.3～0.4：5～6。


6.一种胶原基3D打印生物墨水的制备方法，其特征在于包括：将胶原溶液与植物多酚溶液混合反应后形成胶原-多酚混合凝胶，再将所述胶原-多酚混合凝胶与醛基化的含羟基高分子溶液混合；所述胶原、植物多酚和醛基化的含羟基高分子的质量比为1:0.001～0.05：1～20。

【专利技术属性】
技术研发人员：陈艳艳，杨文，戴建武，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32