一种体素打印生物墨水及其制备方法技术

一种体素打印生物墨水及其制备方法，该方法包括：将两种超长链生物相容性分子分别与细胞外基质材料预混合，得到两个预混合组分，将两个预混合组分注入微滴，产生混合物微滴；使微滴在微流控管道内流动，在微滴内循环流动下使作为交联剂分子的两种超长链生物相容性分子与细胞外基质材料之间、以及两种超长链生物相容性分子之间充分混合缠绕，交织形成链条结点，将细胞外基质材料锁定在缠绕的超长链分子链条中形成整体网络。本发明专利技术得到的体素打印生物墨水的生物相容性好、可设计性高、应用简单且对包藏细胞无害。

A voxel printing bio ink and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种体素打印生物墨水及其制备方法
本专利技术涉及生物技术，特别是一种体素打印生物墨水及其制备方法。
技术介绍
细胞外基质(extracellularmatrix，ECM)是由细胞分泌、分布于细胞外的蛋白质和多糖等大分子构成的网络结构，主要成分是蛋白质(如胶原蛋白、弹性蛋白等)、非胶原糖蛋白、蛋白多糖(proteoglycan)等多种材料。ECM对组织细胞起支持、保护及营养作用，而且还通过细胞表面特异性受体与细胞结合，与细胞的增殖、分化、代谢、识别、黏着及迁移等基本生命活动密切相关。以胶原蛋白或基质胶等哺乳动物天然细胞外基质提取物(成分)为基础的生物墨水是干细胞移植、3D器官打印和体外病理模型制造的重要基础。生物墨水作为植入载体辅助干细胞移植具有显著提高干细胞治疗效率的潜能；3D器官打印和病理器官模型制造均依赖于生物材料提供结构保持和支持干细胞存活。然而，天然ECM具有机械强度低和胶凝慢等缺点，限制了其作为体素打印墨水(如凝胶细胞软球体)的应用。引入化学交联(包括热交联和光反应交联等)可促进胶凝并增强其机械性能，但交联剂或交联条件通常对细胞有害，而无害化的thiol-ene反应速率较低。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服上述技术缺陷，提供一种体素打印生物墨水及其制备方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种体素打印生物墨水的制备方法，包括如下步骤：将第一种超长链生物相容性分子与细胞外基质材料预混合，得到第一预混合组分；将第二种超长链生物相容性分子与细胞外基质材料预混合，得到第二预混合组分；将所述第一预混合组分和所述第二预混合组注入微滴，产生混合物微滴；使用微流控技术，驱动所述微滴在微流控管道内流动，在微滴内循环流动下使作为交联剂分子的所述第一种、第二种超长链生物相容性分子与所述细胞外基质材料之间、以及所述第一种超长链生物相容性分子与所述第二种超长链生物相容性分子之间充分混合缠绕，交织形成链条结点，将所述细胞外基质材料锁定在缠绕的超长链分子链条中形成整体网络。进一步地：分别将所述第一预混合组分和所述第二预混合组注入所述微滴，或者，将所述第一预混合组分和所述第二预混合组混合后再注入所述微滴。所述第一种超长链生物相容性分子为DNA单链、高分子链、或多肽链，所述第二种超长链生物相容性分子为所述DNA单链的互补链、可与所述高分子链或所述多肽链产生链条间反应或作用力的同种/异种高分子链或多肽链。所述链条结点通过氢键互补作用、异种电荷吸引作用、共价键作用、物理交缠作用中的一种或多种作用形成。所述细胞外基质材料包括蛋白纤维材料，所述蛋白纤维材料包括胶原蛋白和基质胶。超长链生物相容性分子交联固化细胞外基质材料生成软球体，或者进一步由多个所述软球体经流动挤压后融合成长条胶。一种体素打印生物墨水，包括第一种超长链生物相容性分子、第二种超长链生物相容性分子与细胞外基质材料，作为交联剂分子的所述第一种超长链生物相容性分子、所述第二种超长链生物相容性分子与所述细胞外基质材料之间、以及所述第一种超长链生物相容性分子与所述第二种超长链生物相容性分子之间充分混合缠绕，交织形成链条结点，将所述细胞外基质材料锁定在缠绕的超长链分子链条中形成整体网络。进一步地：所述第一种超长链生物相容性分子为DNA单链、高分子链、或多肽链，所述第二种超长链生物相容性分子为所述DNA单链的互补链、可与所述高分子链或所述多肽链产生链条间反应或作用力的同种/异种高分子链或多肽链。所述链条结点通过氢键互补作用、异种电荷吸引作用、共价键作用、物理交缠作用中的一种或多种作用形成。所述细胞外基质材料包括蛋白纤维材料，所述蛋白纤维材料包括胶原蛋白和基质胶；超长链生物相容性分子交联固化细胞外基质材料生成软球体，或者进一步由多个所述软球体经流动挤压后融合成长条胶。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提供一种体素打印生物墨水及其制备方法，以两种超长链生物相容性分子作为无细胞毒性的交联剂与ECM共同注入微滴，并利用微流控流动力学场，使两种超长链生物相容性分子与ECM之间以及两种超长链生物相容性分子相互之间充分混合缠绕，交织形成链条结点，将ECM锁定在缠绕的超长链分子链条中形成整体网络，从而有效地促进天然ECM如蛋白纤维材料等的交联，由此获得体素打印墨水，避免依赖于对细胞有毒或需要复杂的化学反应条件。本专利技术中的交联策略不同于传统的化学(如使用化学交联分子并发生热或光反应等进行交联)或物理交联(如紫外线或γ射线照射和脱水交联等)等具有潜在细胞毒性的交联试剂或交联条件等方法，本专利技术中通过两种超长链生物相容性分子与ECM混合于微滴内，以例如氢键互补作用、异种电荷吸引作用、共价键作用、物理交缠作用中的一种或多种形成交联，具有生物相容性好、可设计性高、应用简单(只需要两组成分混合，并在微滴内循环驱动下混合交缠)等，是一种快速的且对包藏细胞无害的新型生物材料交联方法。相较于合成水凝胶，本专利技术交联的天然ECM及其衍生材料可更好地还原干细胞等的天然基质微环境。本专利技术的应用可大幅拓展天然生物材料在再生和转化医学上的应用，并有望推动干细胞移植、类器官制造和3D器官打印等领域的发展和应用。附图说明图1为本专利技术实施例中微滴在微流控管道内流动时的内部流动循环示意图。图2为本专利技术实施例中超长链分子经微滴内循环流动混合交织后生成结点“锁定”固化纤维支架材料(如胶原蛋白和基质胶)示意图。图3(a)为本专利技术实施例中超长链分子交织结点“锁定”固化的胶原蛋白基软球体的胶原蛋白力学性质示意图；图3(b)为软球体的局部SEM图；图3(c)为软球体的全域图。图4为本专利技术实施例中超长链分子交织结点“锁定”固化的基质胶基软球体示图。图5为本专利技术实施例中超长链分子交织结点“锁定”固化的数个胶原蛋白基软球体经流动挤压后融合成长条胶的两例示图。具体实施方式以下对本专利技术的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本专利技术的范围及其应用。需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。图1为本专利技术实施例中微滴在微流控管道内流动时的内部流动循环示意图。图2为本专利技术实施例中超长链分子经微滴内循环流动混合交织后生成结点“锁定”固化细胞外基质材料(如胶原蛋白和基质胶)的示意图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种体素打印生物墨水的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n将第一种超长链生物相容性分子与细胞外基质材料预混合，得到第一预混合组分；/n将第二种超长链生物相容性分子与细胞外基质材料预混合，得到第二预混合组分；/n将所述第一预混合组分和所述第二预混合组注入微滴，产生混合物微滴；/n使用微流控技术，驱动所述微滴在微流控管道内流动，在微滴内循环流动下使作为交联剂分子的所述第一种、第二种超长链生物相容性分子与所述细胞外基质材料之间、以及所述第一种超长链生物相容性分子与所述第二种超长链生物相容性分子之间充分混合缠绕，交织形成链条结点，将所述细胞外基质材料锁定在缠绕的超长链分子链条中形成整体网络。/n

【技术特征摘要】
1.一种体素打印生物墨水的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将第一种超长链生物相容性分子与细胞外基质材料预混合，得到第一预混合组分；
将第二种超长链生物相容性分子与细胞外基质材料预混合，得到第二预混合组分；
将所述第一预混合组分和所述第二预混合组注入微滴，产生混合物微滴；
使用微流控技术，驱动所述微滴在微流控管道内流动，在微滴内循环流动下使作为交联剂分子的所述第一种、第二种超长链生物相容性分子与所述细胞外基质材料之间、以及所述第一种超长链生物相容性分子与所述第二种超长链生物相容性分子之间充分混合缠绕，交织形成链条结点，将所述细胞外基质材料锁定在缠绕的超长链分子链条中形成整体网络。


2.如权利要求1所述的体素打印生物墨水的制备方法，其特征在于，分别将所述第一预混合组分和所述第二预混合组注入所述微滴，或者，将所述第一预混合组分和所述第二预混合组混合后再注入所述微滴。


3.如权利要求1至2任一项所述的体素打印生物墨水的制备方法，其特征在于，所述第一种超长链生物相容性分子为DNA单链、高分子链、或多肽链，所述第二种超长链生物相容性分子为所述DNA单链的互补链、可与所述高分子链或所述多肽链产生链条间反应或作用力的同种/异种高分子链或多肽链。


4.如权利要求1至3任一项所述的体素打印生物墨水的制备方法，其特征在于，所述链条结点通过氢键互补作用、异种电荷吸引作用、共价键作用、物理交缠作用中的一种或多种作用形成。


5.如权利要求1至4任一项所述的体素打印生物墨水的制备方法，其特征在于，所述细胞外基质材...

【专利技术属性】
技术研发人员：马少华，赵浩然，王好谦，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44