一种3D打印可降解高分子支架与光交联水凝胶的复合支架制造技术

本发明专利技术涉及一种3D打印的可降解高分子支架与光交联水凝胶的复合支架，包括3D打印的可降解高分子支架，所述3D打印的可降解高分子支架内部包括交联的高取代度和低取代度的光交联水凝胶，优选聚己内酯(PCL)支架和不同取代度的甲基丙烯酸酐化明胶(GelMA)进行交联复合。复合支架中，3D打印的可降解高分子支架具有良好的力学性能；高取代度的光交联水凝胶交联程度高，能够形成纤维网络和微孔，对细胞起到良好支撑；低取代度的光交联水凝胶活性位点多，利于细胞粘附生长，并能够吸附大量营养液。通过三者配合，使得复合支架内层到外层，都适合细胞生长、血管化，用于医疗上的人体修复时，实现支架一体化促进新组织再生。

3D printing degradable polymer scaffolds and photo crosslinked hydrogel composite scaffolds

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印可降解高分子支架与光交联水凝胶的复合支架
本专利技术涉及组织工程支架领域，具体涉及一种3D打印的可降解高分子支架与不同取代度和交联程度的光交联水凝胶的复合支架。
技术介绍
组织工程支架材料是指能与组织活体细胞结合并能植入生物体的材料。这种支架材料要有利于作为细胞的载体、促进细胞繁殖和分化。另外，这种材料需要具备一定的力学强度，支架降解后为无害的代谢物。组织工程支架材料分为天然支架材料和人工合成支架材料。天然支架材料包括胶原、明胶、纤维蛋白、壳聚糖、海藻酸盐、透明质酸等，特点是降解速度较快、生物活性位点、适合细胞生长；人工合成支架材料包括聚己内酯、聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乙二醇等，特点是力学性能好，降解速度较慢，生物活性位点较少。例如，聚己内酯(Polycaprolactone，PCL)是一种人工合成的高分子材料，具有良好的生物相容性、可降解性、韧性和强度，适合作为组织工程支架材料，但是其本身不具有生物活性，表面光滑，疏水性强，不适宜细胞的粘附和生长。明胶是一种天然的生物大分子材料，是胶原部分降解的产物，具有良好的可降解性、生物相容性和生物活性，有利于细胞的粘附，并且降解产物可以促进细胞的生长；但其力学性能差，容易受细菌侵蚀、不耐水。制备天然支架材料和人工合成支架材料的复合支架，综合两者的性质，就可以得到性能优异的支架。现有技术也进行了大量的尝试，如CN102242463B公开了一种静电纺制备明胶/聚己内酯复合纳米纤维膜，将明胶/聚己内酯混合溶液制成纺丝液，采用静电纺得到明胶/聚己内酯复合纳米纤维素膜，既具有良好的性能，也有利于细胞的生长。但这类方法得到的支架材料孔径单一，而且聚己内酯和明胶完全混合，会降低聚己内酯的力学性能并阻碍明胶对细胞生长的促进作用。3D打印技术是快速成型技术的一种，现已广泛用于各类支架的打印，能够精确打印出所需要的支架孔径和纤维直径。3D打印用于PCL支架已有文献报道，如CN110327495A公开了3D打印PCL基材制备组织工程耳廓形态复合支架，并应用该支架体外构建精确人耳形态软骨。但上述文献仅利用了单一的可降解高分子支架材料，不利于细胞的粘附生长。采用光交联基团对天然高分子改性，可以用于制备光交联水凝胶，常用3D打印和支架材料，如光交联明胶、光交联透明质酸、光交联壳聚糖等。例如，甲基丙烯酰化明胶(gelatinmethacrylate，GelMA)，在明胶中引入甲基丙烯酰胺基团使其具有光敏性，紫外光下可将待固化的胶态液体永久性转化成固体。GelMA具有良好的生物相容性，交联之后可以形成一定的孔径，有利于细胞的进入和营养物质的进入，代谢物质的排除，为细胞的增殖提供良好的环境。已有部分文献将GelMA作为基材进行3D打印，如CN109821075A公开了一种生物材料的制备，在GelMA溶液中加入光引发剂，然后3D打印和紫外照射，得到GelMA光交联材料。基于上述现有技术中存在的技术问题，特提出本专利技术，本专利技术提供了一种3D打印的可降解高分子支架与不同取代度的光交联水凝胶的复合支架，具有良好的力学性能并能够促进细胞生长。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于，提供一种可降解高分子支架与光交联水凝胶的复合支架，其特征在于，包括3D打印的可降解高分子支架，所述光交联水凝胶复合至所述3D打印的可降解高分子支架内部，所述光交联水凝胶包括相互交联的第一取代度光交联水凝胶和第二取代度光交联水凝胶，所述第一取代度光交联水凝胶的交联程度高于所述第二取代度光交联水凝胶的交联程度。所述复合支架的制备方法包括：3D打印得到可降解高分子支架，首先将可降解高分子支架浸泡到高取代度的光交联水凝胶原料溶液中后紫外交联，再浸泡到低取代度的光交联水凝胶原料溶液中后紫外交联，得到不同取代度的光交联水凝胶与可降解高分子的复合支架。本专利技术的第二目的在于，提高可降解高分子支架表面与光交联水凝胶结合的紧密度，提高光交联水凝胶原料在可降解高分子支架表面的交联，通过对可降解高分子支架的溶液浸泡处理，接枝改性等手段处理，再进行后续浸泡光交联水凝胶原料溶液及交联的步骤。本专利技术的第三目的在于，根据可降解高分子和光交联水凝胶的种类选择，将3D打印的可降解高分子支架与不同取代度的光交联水凝胶的复合支架用作各类组织复合支架的用途，用于在体外培养细胞和组织；或制成用于医疗上人体组织修复的各类产品，例如GelMA/PCL复合支架用作骨组织工程支架，体外培骨组织，或者将GelMA/PCL复合支架植入人体，用于医疗上的人体的骨缺损修复。1.3D打印可降解高分子支架3D打印包括如下步骤：设计好支架打印模型，将可降解高分子加入到3D打印机中，设定相应的参数，通过精细喷头挤出，叠加形成支架。所述可降解高分子支架的3D打印纤维直径0.1～0.5mm，纤维间距0.3～1.0mm。3D打印可降解高分子支架的过程中，通过调整喷嘴大小和打印模型，控制纤维的直径和纤维间距，能够可控地调整支架孔径及力学性能。同时，可降解高分子支架形成了大孔，当浸泡光交联水凝胶原料溶液后交联时，交联的水凝胶会在大孔中形成水凝胶纤维微孔结构，微孔与大孔的配合，可以更有效促进细胞的粘附生长。此外，采用静电纺制备的可降解高分子支架也能够实现本专利技术的大部分的技术效果，不过无法控制纤维的直径和孔径，并不是优选的技术方案。2.光交联水凝胶原料的制备方法所述光交联水凝胶的原料为光交联基团改性的天然高分子化合物。进一步，所述光交联水凝胶的原料可选择为光交联明胶、光交联胶原、光交联纤维蛋白、光交联透明质酸、光交联壳聚糖、光交联葡聚糖、光交联海藻酸盐中的一种或多种。进一步地，所述光交联基团可选择为甲基丙烯酸酯基团、香豆素基团、肉桂酸基团、叠氮基团中的一种或几种。进一步地，所述光交联水凝胶的原料优选GelMA。进一步地，所述第一取代度光交联水凝胶是指光交联水凝胶原料的取代度为60～90％，优选为80％；所述第二取代度光交联水凝胶是指光交联水凝胶原料的取代度为10～60％，优选为50％；所述的光交联水凝胶原料的取代度是指光交联基团取代数占光交联水凝胶原料可被取代基团的百分比；例如，GelMA的取代度是指甲基丙烯酸酯基团取代数占明胶总氨基基团的取代百分比。使用光交联基团化合物对天然高分子化合物进行改性，可以得到交联水凝胶原料，通过控制光交联基团化合物的用量、反应时间等工艺参数，可以得到不同取代度的交联水凝胶原料，现有技术已公开了光交联明胶、光交联透明质酸、光交联壳聚糖、光交联海藻酸盐等制备方法，通常是配制明胶、透明质酸等天然高分子原料溶液，加入光交联基团化合物，如甲基丙烯酰胺，反应得到光交联水凝胶原料。本专利技术以制备高取代度的GelMA和低取代度的GelMA为例，制备的具体方法为：将定量的明胶配制成pH＝9的溶液在水浴中加热到50℃，将定量的甲基丙烯酰胺滴加到溶液中并高速搅拌开始取代反应，反应结束后加入PBS将溶液的pH调整到7.4来终止取代反应，反应之后的溶液经过滤纸过滤后透析，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可降解高分子支架与光交联水凝胶的复合支架，其特征在于，包括3D打印的可降解高分子支架，所述光交联水凝胶复合至所述3D打印的可降解高分子支架内部。所述光交联水凝胶包括相互交联的第一取代度和第二取代度光交联水凝胶，所述第一取代度光交联水凝胶的交联程度高于所述第二取代度光交联水凝胶的交联程度。/n

【技术特征摘要】
1.一种可降解高分子支架与光交联水凝胶的复合支架，其特征在于，包括3D打印的可降解高分子支架，所述光交联水凝胶复合至所述3D打印的可降解高分子支架内部。所述光交联水凝胶包括相互交联的第一取代度和第二取代度光交联水凝胶，所述第一取代度光交联水凝胶的交联程度高于所述第二取代度光交联水凝胶的交联程度。


2.根据权利要求1所述的复合支架，其特征在于，所述第一取代度光交联水凝胶是指光交联水凝胶原料的取代度为60～90％，优选为80％；所述第二取代度光交联水凝胶是指光交联水凝胶原料的取代度为10～60％，优选为50％；所述的光交联水凝胶原料的取代度是指光交联基团取代数占光交联水凝胶原料可被取代基团的百分比。


3.根据权利要求1或2所述的复合支架，其特征在于，光交联水凝胶的原料为光交联基团改性的天然高分子化合物；优选地，所述光交联水凝胶的原料可选择为光交联明胶、光交联胶原、光交联纤维蛋白、光交联透明质酸、光交联壳聚糖、光交联葡聚糖、光交联海藻酸盐中的一种或多种。


4.根据权利要求3所述的复合支架，其特征在于，所述光交联基团可选择为甲基丙烯酸酯基团、香豆素基团、肉桂酸基团、叠氮基团中的一种或几种；优选地，所述光交联水凝胶的原料为GelMA。


5.根据权利要求4所述的复合支架，其特征在于，所述GelMA制备方法为甲基丙烯酸酯基团取代明胶法，包括如下步骤：将定量的明胶配制成pH＝9的溶液在水浴中加热到50℃，将定量的甲基丙烯酰胺滴加到明胶溶液中并搅拌开始取代反应，反应结束后加入PBS将溶液的pH调整到7.4来终止取代反应，反应之后的溶液经过滤纸过滤后透析，并经冷冻和冻干后待用。


6.根据权利要求5所述的复合支架，其特征在于，制备所述GelMA所使用的明胶为热降解明胶，所述热降解明胶的制备方法为，将明胶在pH＝7的PBS溶液中溶解，在110～130℃的水热条件下热降解1-2h即得。


7.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨熙，崔文国，余嘉，刘星志，柯东旭，
申请(专利权)人：苏州诺普再生医学有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32