一种微纳3D打印表面涂覆导电生物支架及其制备方法技术

本申请提供一种微纳3D打印表面涂覆导电生物支架及其制备方法，包括以下步骤：设计生物支架结构模型；选取绝缘硬质材料作为基底，对基底进行预处理降低基底的表面能，备用；选取生物可降解的高分子聚合物作为打印材料，采用电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术，在基底上打印出预设图案的生物支架；选取与打印电压极性相反的导电材料溶液，对支架进行表面涂覆，通过带电荷的生物支架与导电材料的静电吸引作用，使导电材料均匀包裹在生物支架的表面，从而获得高电导率的导电生物支架。从而获得高电导率的导电生物支架。从而获得高电导率的导电生物支架。

【技术实现步骤摘要】
一种微纳3D打印表面涂覆导电生物支架及其制备方法


[0001]本专利技术属于微纳3D打印
，尤其涉及一种微纳3D打印导电生物支架及其制备方法。

技术介绍

[0002]组织、器官的丧失或功能障碍，因意外导致的机体损伤和机体功能性退化引发的各种疾病和伤痛是人类健康所面临的主要危害，目前主要的治疗方案是通过自体移植或异体移植，虽在一定程度上取得疗效，但会导致很多并发症及排异反应。组织工程的出现为上述问题提供了一种新的解决方案，其基本目标是发展功能性生物替代品，通过结合支架、细胞和生物活性分子的方式来再生或替换有缺陷、患病或缺失的组织和器官，从而恢复、维持或改善组织功能。
[0003]在组织工程中生物支架作为细胞生长场所和载体，生物支架在具有良好组织相容性的同时，还应具有生物可降解性、无毒性、支架结构可设计性以及优异的机械强度等特性。此外，外加电刺激(ES)还可以提高细胞
‑
基质间的相互作用，以增加细胞分化和组织再生，从而达到加快伤口愈合、尽快使病患康复的目的。但是，目前具有符合细胞特征尺寸、满足柔韧性以及高电导率的支架的制造还面临诸多难题。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本申请提供了一种微纳3D打印导电生物支架及其制备方法，利用电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术，使用高分子聚合物等生物可降解材料作为打印材料，在各种基底上打印高度有序的生物支架，然后用导电材料对其进行表面涂覆，使支架获得导电性。经表面涂覆处理后的生物支架具有低电阻率、高电导率等特点，有利于电信号通过生物支架进行传递。
[0005]为了实现上述目的，本申请提供一种微纳3D打印导电生物支架的制备方法，包括以下步骤：设计生物支架结构模型：通过软件绘制出支架的二维模型，将模型文件转化为打印路径文件，并将路径文件导入打印软件中，然后执行以下步骤：
[0006](1)选取绝缘硬质材料作为基底，对基底进行预处理降低基底的表面能，备用；
[0007](2)选取生物可降解的高分子聚合物作为打印材料，采用电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术，在预处理后的基底上打印生物支架，具体为在喷嘴处施加电压，打印材料在喷嘴出口处形成泰勒锥，产生锥射流，打印材料在电场的作用下从喷嘴向下喷射，在基底上打印出预设图案的生物支架；
[0008](3)选取与打印电压极性相反的导电材料溶液，对支架进行表面涂覆，通过带电荷的生物支架与导电材料的静电吸引作用，使导电材料均匀包裹在生物支架的表面，从而获得高电导率的导电生物支架。
[0009]在申请的一些实施例中，对基底进行预处理具体为：将基底采用酒精擦洗干净，再将其放入超声波清洗机中，用去离子水超声波清洗10分钟，最后再将清洗后的玻璃片烘干，
并放在打印机平台上。
[0010]在申请的一些实施例中，所述步骤(2)中，选取打印材料后，将打印材料放入烧杯中，并将烧杯放入干燥箱中干燥2小时，以去除材料中的水分，避免材料的粘度受到影响；然后将打印材料放入料桶中进行加热到设定温度值，使材料完全融化；在基底上打印出预设图案的生物支架。
[0011]在申请的一些实施例中，在涂敷导电材料前，还包括：将打印好的生物支架从基材上剥离下来，对生物支架进行修剪，然后使用无水乙醇生物支架做表面亲水处理，以使导电材料能更好的包裹在生物支架表面，再用导电材料对支架进行表面涂覆处理。
[0012]在申请的一些实施例中，打印材料包括但不限于聚乳酸、聚已内酯。
[0013]在本申请的一些实施例中，所述步骤(2)中，基材包括但不限于玻璃片、PC板、亚克力板等绝缘硬质板材。
[0014]在本申请的一些实施例中，采用电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术，施加电场，使打印材料在电场力的作用下，在喷嘴出口处形成泰勒锥射流，材料以锥射流的形式在基材上沉积出线宽远小于喷嘴内径的细丝，基底不接地电极。
[0015]在本申请的一些实施例中，所述步骤(2)中，通过多层打印叠加的方法，获得具有一定高度的3D网状结构的生物支架。
[0016]在本申请的一些实施例中，在步骤(3)中，导电材料包括但不限于MXene、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯等导电材料。
[0017]在本申请的一些实施例中，在步骤(3)中，导电材料优选为MXene，
[0018]在本申请的一些实施例中，所述MXene具有大的比表面积和丰富的表面官能团。
[0019]在本申请的一些实施例中，MXene的表面有羟基或末端氧，具有过渡金属碳化物的金属导电性。
[0020]在本申请的一些实施例中，所述MXene优选为刻蚀后单片层的Ti3C2水溶液。
[0021]在本申请的一些实施例中，所述MXene为用HF溶液将Ti3AlC2中的Al刻蚀掉，得到具有成
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OH或
‑
F表面基团的Ti3C2。
[0022]在本申请的一些实施例中，通过调整打印过程中的工艺参数，如电压、气压、喷嘴温度、料桶温度、打印速度、喷嘴与基底之间的距离等，调控所打印支架的线宽、周期和高度，以此来得到所需尺寸支架；
[0023]在本申请的一些实施例中，打印速度为5～10mm/s、气压15～20kPa、打印电压为1500V、喷嘴与基底之间的距离为200～250μm。
[0024]在本申请的一些实施例中，导电材料溶液的浓度为4
‑
10mg/ml。
[0025]在本申请的一些实施例中，通过涂覆次数的不同，涂覆层的厚度可达10nm
‑
2μm左右，涂覆后的生物支架具有良好的导电性。
[0026]在本申请的一些实施例中，为保证导电生物支架的性能要求，优选涂敷6～7次。
[0027]在本申请的一些实施例中，不同周期、不同厚度的支架，在涂覆不同次数后得到不同的电阻值，实验结果表面电阻值最小能够达到14.48Ω左右，并且支架在弯折后仍具有良好的导电性，电阻值小于20Ω左右。
[0028]本申请还提供一种微纳3D打印导电生物支架，采用上述方法制备而成，其表面电阻值最小能够达到14.48Ω。
[0029]在本申请的一些实施例中，采用PCL为打印材料，刻蚀后单片层的Ti3C2水溶液为导电材料溶液，Ti3C2与PCL支架表面之间具有较好的粘附性，当弯折角度为180
°
时，弯曲半径过大，导致所涂覆的Ti3C
2 MXene出现脱落，其电阻变化率达到1.935，Rs由16.64Ω变为45.361
±
0.53Ω，但支架的电导率仍能够满足生物电信号传播，为细胞生长与繁衍提供足够的电刺激。
[0030]与现有技术相比，本申请至少具有以下优点：
[0031]1.常见的3D打印技术如静电纺丝、电流体动力喷射打印、立体光刻等，聚合物打印材料在打印过程中经过高温熔化，打印出的纤维直径较粗，严重影响细胞培养的效果，以及植入生物体内后细胞间信息传导的效率；本申请采用电场驱动喷射沉积微纳3D打本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微纳3D打印导电生物支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：设计生物支架结构模型：通过软件绘制出支架的二维模型，将模型文件转化为打印路径文件，并将路径文件导入打印软件中，然后执行以下步骤：(1)选取绝缘硬质材料作为基底，对基底进行预处理降低基底的表面能，备用；(2)选取生物可降解的高分子聚合物作为打印材料，采用电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术，在预处理后的基底上打印生物支架，具体为在喷嘴处施加电压，打印材料在喷嘴出口处形成泰勒锥，产生锥射流，打印材料在电场的作用下从喷嘴向下喷射，在基底上打印出预设图案的生物支架；(3)选取与打印电压极性相反的导电材料溶液，对支架进行表面涂覆，通过带电荷的生物支架与导电材料的静电吸引作用，使导电材料均匀包裹在生物支架的表面，从而获得高电导率的导电生物支架。2.根据权利要求1所述的一种微纳3D打印导电生物支架的制备方法，其特征在于，将基底采用酒精擦洗干净，再将其放入超声波清洗机中，用去离子水超声波清洗10分钟，最后再将清洗后的玻璃片烘干，并放在打印机平台上。3.根据权利要求1所述的一种微纳3D打印导电生物支架的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，选取打印材料后，将打印材料放入烧杯中，并将烧杯放入干燥箱中干燥2小时，以去除材料中的水分，避免材料的粘度受到影响；然后将打印材料放入料桶中进行加热到设定温度值，使材料完全融化；在基底上打印出预设图案的生物支架。4.根据权利要求1所述的一种微纳3D打印导电生物支架的制备方法，其特征在于，在涂敷导电材料前，还包括：将打印好的生物支架从基材上剥离下来，对生物支架进行修剪，然后使用无水乙醇生物支架做表面亲水处理，以使导电材料能更好的包裹在生物支架表面，再用导电材料对支架进行表面涂覆处理。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广明，马令轩，于尊，兰红波，李汶海，韩志峰，许权，赵佳伟，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：