一种用于3D生物打印的可触变性水凝胶的制备方法技术

一种用于3D生物打印的可触变性水凝胶的制备方法，包括以下步骤：A、将蛋白质粉末、多酚粉末和多糖粉末溶于去离子水中，分别得到浓度为3.0‑10.0wt.％的蛋白质溶液；浓度为0.10‑0.75wt.％的多酚溶液；浓度为2.0‑8.0wt.％的多糖溶液；B、将A步配置的蛋白质溶液和多酚溶液按照1‑10:1的比例加入反应器，并在40‑50℃的水浴条件下磁力搅拌1‑3h，得到蛋白质‑多酚二元复合物溶液；C、将多糖溶液加入到B步的复合物溶液中，加入体积比为2‑4:1，在40‑50℃的水浴条件下磁力搅拌溶液颜色均一，且不分层，即得。该方法制得的水凝胶用作3D生物打印材料，其生物相容性优良、注射性。

Preparation of thixotropic hydrogel for 3D biological printing

【技术实现步骤摘要】
一种用于3D生物打印的可触变性水凝胶的制备方法
本专利技术涉及一种用于3D生物打印的可触变性水凝胶的制备方法。
技术介绍
3D生物打印是基于医学图像转换设计的模型，在计算机精确控制下，将生物打印“墨水”(生物相容材料和细胞)层层打印成型，体外构建出类似于体内的三维结构与微环境。3D生物打印得到的三维结构与微环境提供了一个仿生的三维细胞培养条件，其中的细胞经过合适的培养，最终培育成功能化的、用于体内替换和再生以及体外药物筛选和疾病研究的类组织/器官。目前常见的3D生物打印方法有喷墨打印型、激光辅助型和挤出型三种(LiJ,ChenM,FanX,etal.Recentadvancesinbioprintingtechniques:approaches,applicationsandfutureprospects.JournalofTranslationalMedicine,2016,14(1):271.)。其中，挤出型3D生物打印是利用机械力或者空气压力将“生物墨水”(通常为携载着细胞的水凝胶材料)从喷头挤出，从而构建三维的结构(ZhangZ,WangB,HuiD,etal.3Dbioprintingofsoftmaterials-basedregenerativevascularstructuresandtissues.CompositesPartB:Engineering,2017.)，其具有易操作、经济、条件温和及打印较高密度细胞等特点；同时，可避免使用高温和高压等苛刻的工作条件。虽然，挤出式3D生物打印的操作和原理简单，但是挤出式3D生物打印技术对“生物墨水”材料性能要求较高，要求材料具有较好的注射性和成型性，这样才能在较低的机械力作用下使“生物墨水”顺利喷出，并且能够较快的形成形状；同时，还要具有优异的生物相容性，可以对包裹在水凝胶中的细胞实现保护和调控，为细胞提供接近于细胞外基质的三维环境以保证细胞的迁移、生长和分化(N.E.Fedorovich,J.R.DeWijn,A.J.Verbout,J.Alblas,W.J.Dhert,Three-dimensionalfiberdepositionofcell-laden,viable,patternedconstructsforbonetissueprinting,TissueEngPartA14(1)(2008)127-33)。“生物墨水”材料想要顺利挤出，并且保护其中包裹的细胞受到尽可能小的剪切力，需要具有较小的粘度；而粘度变小又会使得成型性能严重降低，使得打印的三维结构坍缩。触变性的水凝胶材料可利用其“受力稀化，撤力恢复”的特性有望兼顾成型性与挤出性(YouChen,aYihanWang,QianYang,etal.Anovelthixotropicmagnesiumphosphate-basedbioinkwithexcellentprintabilityforapplicationin3Dprinting,journalofmaterialschemistryB,2018,6,4502-4513),但现有的具有触变性的材料往往为化学合成材料，生物相容性并不优异；且文献所报道的应用于生物医学领域的触变性材料触变后恢复时间较长(YouChen,aYihanWang,QianYang,etal.Anovelthixotropicmagnesiumphosphate-basedbioinkwithexcellentprintabilityforapplicationin3Dprinting,journalofmaterialschemistryB,2018,6,4502-4513)，导致打印后成型性较差，难以较快地在打印层上继续打印，限制了其在3D生物打印中的应用。因此，当前3D生物打印的发展迫切需要一种生物相容性好、触变性高(恢复时间快)的“生物墨水”水凝胶材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于3D生物打印的可触变性水凝胶的制备方法，该方法的工艺简单、制备成本低；制备的可触变性水凝胶用作3D生物打印材料，其注射性能和成型性能好，同时具有优良的生物相容性，打印后的细胞活性高，能够为细胞提供更接近于细胞外基质组分的生长环境，促进组织和器官的再生。本专利技术实现其专利技术目的所采用的技术方案是，一种用于3D生物打印的可触变性水凝胶的制备方法，包括以下步骤：A、原液配制：将蛋白质粉末、多酚粉末和多糖粉末各自溶于去离子水中，分别得到浓度为3.0-10.0wt.％的蛋白质溶液；浓度为0.10-0.75wt.％的多酚溶液；浓度为2.0-8.0wt.％的多糖溶液；B、蛋白质-多酚二元复合物的合成：将A步配置的蛋白质溶液和多酚溶液按照1-10:1的比例加入反应器，并在40-50℃的水浴条件下磁力搅拌1-3h，得到蛋白质-多酚二元复合物溶液；C、凝胶的制备：将A步配置的多糖溶液加入到B步的蛋白质-多酚二元复合物溶液中，其中多糖溶液与蛋白质-多酚二元复合物溶液的体积比为2-4:1，在40-50℃的水浴条件下磁力搅拌至溶液颜色均一，且不分层，即得。本专利技术的反应原理和机理是：先将蛋白质溶液和多酚溶液进行水浴反应，多酚溶液中的酚羟基被氧化失去H-后，使得苯环上的空位与蛋白质氨基酸残基中的α-氨基发生共价结合，多酚溶液中未被氧化的酚羟基与蛋白质氨基酸残基的侧链基团中的单原子形成分子间氢键，从而生成蛋白质-多酚二元复合物。再将多糖溶液加入到蛋白质-多酚二元复合物溶液中进行凝胶反应，复合物中的蛋白质氨基酸残基的α-氨基带正电与带负电的多糖的羧基形成静电吸附，得到蛋白质-多酚-多糖基三元复合物水凝胶。本专利技术的可触变性(蛋白质-多酚-多糖基)水凝胶的使用方法是：将制备的可触变性水凝胶与细胞配置成生物打印“墨水”，然后将其放置在挤出式3D打印机浆料筒中，进行3D生物打印。打印后的支架模型，放置于细胞培养基中，然后在37℃，5％CO2培养箱中培养，经细胞生长、增殖后，即形成用于体内替换和再生以及体外药物筛选和疾病研究的类组织/器官。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：一、本专利技术制备得到的基于蛋白质-多酚-多糖的可触变性水凝胶的触变性，主要来源于蛋白质与多酚间的氢键结合、蛋白质与多糖间的静电相互作用。挤出时，这两种相互作用力受到挤压力而被破坏，水凝胶发生剪切稀化变为溶胶；使其作为3D生物打印材料时，具有优异的注射性，打印所需的挤出力小，对细胞的损伤小、细胞的活性高，能够更好的促进组织和器官的再生。而当外力撤销(挤出后成型)时，组分间会迅速重新形成氢键及发生静电相互作用，恢复为凝胶状态(触变性)；使其打印成型后可以长时间地保持凝胶结构的稳定，具有优异的成型性。实验证明，将本专利技术制得的水凝胶和细胞一起，利用挤出式3D生物打印机，打印成三维组织(器官)支架。打印时的注射压力仅为1N，打印过程流畅、无堵塞喷头和停机现象，打印出的三维支架，结构稳定，无坍塌现象，成型性优异，具有良好的形状保真度。二、本专利技术的原本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于3D生物打印的可触变性水凝胶的制备方法，包括以下步骤：/nA、原液配制：将蛋白质粉末、多酚粉末和多糖粉末各自溶于去离子水中，分别得到浓度为3.0-10.0wt.％的蛋白质溶液；浓度为0.10-0.75wt.％的多酚溶液；浓度为2.0-8.0wt.％的多糖溶液；/nB、蛋白质-多酚二元复合物的合成：将A步配置的蛋白质溶液和多酚溶液按照1-10:1的比例加入反应器，并在40-50℃的水浴条件下磁力搅拌1-3h，得到蛋白质-多酚二元复合物溶液；/nC、凝胶的制备：将A步配置的多糖溶液加入到B步的蛋白质-多酚二元复合物溶液中，其中多糖溶液与蛋白质-多酚二元复合物溶液的体积比为2-4:1，在40-50℃的水浴条件下磁力搅拌至溶液颜色均一，且不分层，即得。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于3D生物打印的可触变性水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
A、原液配制：将蛋白质粉末、多酚粉末和多糖粉末各自溶于去离子水中，分别得到浓度为3.0-10.0wt.％的蛋白质溶液；浓度为0.10-0.75wt.％的多酚溶液；浓度为2.0-8.0wt.％的多糖溶液；
B、蛋白质-多酚二元复合物的合成：将A步配置的蛋白质溶液和多酚溶液按照1-10:1的比例加入反应器，并在40-50℃的水浴条件下磁力搅拌1-3h，得到蛋白质-多酚二元复合物溶液；
C、凝胶的制备：将A步配置的多糖溶液加入到B步的蛋白质-多酚二元复合物溶液中，其中多糖溶液与蛋白质-多酚二元复合物溶液的体积比为2-4:1，在40-50℃的水浴条件下磁力搅...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈树新，崔荣伟，熊雄，陈园园，李茂红，王生龙，方麒博，翁杰，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51