一种可共挤出、共成型的混合水凝胶及3D打印水凝胶支架的方法技术

一种可共挤出、共成型的混合水凝胶及3D打印水凝胶支架的方法，属于生物医用高分子材料技术领域。所述方法为：将上述具有两种配比的混合水凝胶置于3D打印机针筒中，形成核壳式图案分布的生物墨水材料；在预设的打印参数下，将针筒中的预设图案分布的生物墨水材料挤出到低温打印平台上，使预设图案分布的生物墨水材料初步固化成预设的支架结构；将初步固化的支架进行钙离子交联，支架结构经钙离子交联固化形成异质水凝胶支架。本发明专利技术的混合水凝胶，通过高粘度的海藻酸钠水凝胶确保混合水凝胶的可共挤出性，添加明胶或甲基丙烯酰胺基明胶来改善混合水凝胶的可共打印性，很好的维持了生物墨水材料挤出成型前后的材料图案分布。生物墨水材料挤出成型前后的材料图案分布。生物墨水材料挤出成型前后的材料图案分布。

【技术实现步骤摘要】
一种可共挤出、共成型的混合水凝胶及3D打印水凝胶支架的方法


[0001]本专利技术属于生物医用高分子材料
，具体涉及一种可共挤出、共成型的混合水凝胶及3D打印水凝胶支架的方法。

技术介绍

[0002]临床可用的人工组织和器官仍有限，组织工程的出现为这一领域的研究带来了希望，其包含两条不同的技术路线：体内合成型技术路线为活的细胞在支架植入体内后逐步长入其中；而体外培养型技术路线为支架在植入体内之前通过细胞/生长因子结合活的细胞组织培养。支架一方面作为细胞的载体，另一方面提供新的组织生长。随着新组织的生成，支架逐渐降解消失。不同组织由于功能不同，其支架亦不尽相同，需研究用于不同组织修复的支架材料与结构。
[0003]3D打印技术采用离散/堆积思想制备结构，一方面为个性化的支架制造提供了可行性，能够提供生长微环境并指导细胞粘附、定位和定植，提供合理的细胞在支架上的空间分布，并指导细胞的攀爬和生长。特别地打印的支架生物力学和生物化学性质可定制。另一方面，3D打印易实现材料组分的多种混合与梯度变化，为调控支架性质提供了有效手段，进而促进了细胞行为在一定范围的可调控性研究和功能化的组织制备。
[0004]水凝胶材料广泛用作3D打印的生物墨水材料，其挤出成型过程中需满足(1)良好的剪切稀化和触变性质，确保生物墨水材料的可挤出与可成型性；(2)适合细胞粘附、增殖与分化的生物物理与生物化学性质；(3)良好的生物相容性和生物降解性。为了支架能够同时满足良好的生物物理与生物化学特征，支架材料应由两种或两种以上不同材料组成的复合型材料。然而传统的方法是将材料混合或者化学修饰实现，定制的支架力学、生化性质等受限。
[0005]材料在3D打印的针筒内的可控分布和低雷诺数的流体层流状态不易混合，为成型材料可控分布的纤维图案提供了可行性。明胶、甲基丙烯酰胺基明胶和海藻酸钠水凝胶生物相容性好，明胶或甲基丙烯酰胺基明胶水凝胶具有温敏固化特性，海藻酸钠水凝胶结合钙离子可实现物理交联固化。海藻酸钠水凝胶的可成型性较差，在海藻酸钠水凝胶中引入明胶或甲基丙烯酰胺基明胶，可以提高支架的成型精度。尽管海藻酸钠与明胶或甲基丙烯酰胺基明胶的混合水凝胶材料已用于3D打印，但如何调控3D打印的针筒内预设图案分布的混合水凝胶组分，使其满足共挤出、共成型要求，并实现较高精度的支架制造，是3D打印的预设图案分布的生物墨水材料亟待解决的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了解决海藻酸钠与明胶无法共挤出、共成型等问题，提供一种可共挤出、共成型的混合水凝胶及3D打印水凝胶支架的方法，该方法利用温敏及离子交联，两步固化材料可控分布制备3D打印水凝胶支架，通过添加明胶或甲基丙烯酰胺基明胶来改
善海藻酸钠水凝胶的可成型性，并且引入明胶或甲基丙烯酰胺基明胶的浓度差异不影响针筒处材料可控分布的生物墨水材料的可共挤出性。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0008]一种可共挤出、共成型的混合水凝胶，所述混合水凝胶由100mL溶剂、1～5g海藻酸钠和3.75～12.5g明胶或甲基丙烯酰胺基明胶组成，所述溶剂为水或PBS。
[0009]高浓度的海藻酸钠水凝胶粘度较大，影响了预设图案分布的生物墨水材料的可挤出性，但是低浓度的海藻酸钠水凝胶的可共挤出性和可共成型性较差。通过3D打印制作水凝胶支架时，低浓度海藻酸钠水凝胶不易成型，导致3D打印精度较差。本专利技术通过添加明胶或甲基丙烯酰胺基明胶来改善预设图案分布的低浓度的海藻酸钠水凝胶的可共成型性，通过引入明胶或甲基丙烯酰胺基明胶水凝胶的温敏特性使海藻酸钠水凝胶快速温控固化成型，成型后通过进一步钙离子交联固化形成异质水凝胶支架。
[0010]进一步地，以100ml的混合水凝胶计，包括以下两种情况：(1)海藻酸钠3～4g，明胶或甲基丙烯酰胺基明胶5～7.5g；(2)海藻酸钠3～5g，明胶或甲基丙烯酰胺基明胶3.75～10g。
[0011]明胶或甲基丙烯酰胺基明胶的添加量受海藻酸钠浓度的影响较小，这是由于明胶或甲基丙烯酰胺基明胶成分调控混合水凝胶的温敏固化。此外，明胶或甲基丙烯酰胺基明胶添加量过少，混合水凝胶难以成型；明胶或甲基丙烯酰胺基明胶添加量过多，打印过程容易堵塞喷嘴。
[0012]进一步地，所述海藻酸钠水凝胶的粘度不低于3000Pa.s。该粘度的混合水凝胶能保证很好的水凝胶支架成型精度。
[0013]一种利用上述的混合水凝胶制备3D打印水凝胶支架的方法，所述方法包括以下步骤：
[0014]步骤一：将两种配比的混合水凝胶置于3D打印机针筒中，形成预设图案分布的生物墨水材料；
[0015]步骤二：在预设的打印参数下，将针筒中的预设图案分布的生物墨水材料挤出到低温打印平台上，使预设图案分布的生物墨水材料初步固化成预设的支架结构；
[0016]步骤三：将初步固化的支架进行钙离子交联，支架结构经钙离子交联固化形成异质水凝胶支架。制备得到的水凝胶支架的丝条直径为0.45～0.75mm。
[0017]进一步地，步骤一中，所述两种配比的混合水凝胶包含以下三种组合：
[0018](1)外层：海藻酸钠3g与明胶或甲基丙烯酰胺基明胶7.5g，内层：海藻酸钠3g与明胶或甲基丙烯酰胺基明胶7.5g；
[0019](2)外层：海藻酸钠4g与明胶或甲基丙烯酰胺基明胶7.5g，内层：海藻酸钠4g与明胶或甲基丙烯酰胺基明胶5g；
[0020](3)外层：海藻酸钠4g与明胶或甲基丙烯酰胺基明胶7.5g，内层：海藻酸钠4g与明胶或甲基丙烯酰胺基明胶7.5g。
[0021]上述任意一种组合的两种配比的混合水凝胶，在3D打印的针筒中，形成预设图案分布的生物墨水材料，能确保良好的可共挤出性与可共成型性。
[0022]进一步地，步骤一中，预设图案分布的生物墨水材料制作通过定制模具与引入涂层材料方式实现。
[0023]预设图案分布的生物墨水材料的外层与内层材料均具有温敏与离子交联两种特性。本专利技术的打印方法利用针筒打印温度下的海藻酸钠与明胶或甲基丙烯酰胺基明胶的粘度差异，将两种配比的混合水凝胶共挤出，通过两步固化打印水凝胶支架。具体地，挤出成型的具有预设图案分布的水凝胶纤维挤出到低温打印平台上固化形成预定的支架三维结构，最后通过引入氯化钙溶液，利用钙离子与海藻酸盐离子的螯合作用形成稳定的水凝胶支架。
[0024]本专利技术的打印方法在保证不同配比的预设图案分布的水凝胶材料的高精度3D打印的同时，可通过修改预设图案分布及引入生物化学因子，打印出具有不同材料图案分布的生物支架。
[0025]进一步地，步骤二中，所述针筒处的温度控制在37℃，可以利于细胞在3D打印过程中的存活。同时使针筒内混合水凝胶中明胶或甲基丙烯酰胺基明胶粘度远小于海藻酸钠，确保明胶或甲基丙烯酰胺基明胶浓度存在差异的预设图案分布的生物墨水材料的可共挤出性；所述低温打印平台温度为0～4℃，温控打印平台使打印在其上的混合水凝胶固化，提高3D打印的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可共挤出、共成型的混合水凝胶，其特征在于：所述混合水凝胶由100mL溶剂、1～5g海藻酸钠和3.75～12.5g明胶或甲基丙烯酰胺基明胶组成，所述溶剂为水或PBS。2.根据权利要求1所述的一种可共挤出、共成型的混合水凝胶，其特征在于：以100ml的混合水凝胶计，包括以下两种情况：(1)海藻酸钠3～4g，明胶或甲基丙烯酰胺基明胶5～7.5g；(2)海藻酸钠3～5g，明胶或甲基丙烯酰胺基明胶3.75～10g。3.根据权利要求1或2所述的一种可共挤出、共成型的混合水凝胶，其特征在于：所述海藻酸钠水凝胶的粘度不低于3000Pa.s。4.一种利用权利要求1～3任一项所述的混合水凝胶制备3D打印水凝胶支架的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一：将两种配比的混合水凝胶置于3D打印机针筒中，形成预设图案分布的生物墨水材料；步骤二：在预设的打印参数下，将针筒中的预设图案分布的生物墨水材料挤出到低温打印平台上，使预设图案分布的生物墨水材料初步固化成预设的支架结构；步骤三：将初步固化的支架进行钙离子交联，支架结构经钙离子交联固化形成异质水凝胶支架。5.根据权利要求4所述的一种利用混合水凝胶制备3D打印水凝胶支架的方法，其特征在于：步骤一中，所述两种配比的混合水凝胶包含以下三种组合：(1)外层：海藻酸钠3g...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海涛，王鹏举，孙雅洲，史小全，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：