卡拉胶在生物3D打印中的应用制造技术

本发明专利技术公开了卡拉胶在生物3D打印中的应用，生物3D打印包括生物墨水和支撑浴，卡拉胶与GelMA溶液的组合在生物墨水中的应用，卡拉胶与磷酸盐缓冲液的组合在支撑浴中的应用。本发明专利技术采用上述成分的卡拉胶在生物3D打印中的应用，可有效操控无法挤出式打印的生物材料，如明胶衍生物GelMA的精准定位打印。如明胶衍生物GelMA的精准定位打印。如明胶衍生物GelMA的精准定位打印。

【技术实现步骤摘要】
卡拉胶在生物3D打印中的应用


[0001]本专利技术涉及生物3D打印
，特别是涉及卡拉胶在生物3D打印中的应用。

技术介绍

[0002]常用于细胞3D培养的高活性生物材料，主要有胶原蛋白，纤维蛋白，脱细胞外基质(dECM)、明胶衍生物GelMA等。其中，甲基丙烯酸酐化明胶(GelMA)为烯烃双键改性的明胶，由甲基丙烯酸酐(MA)接枝取代明胶上的氨基获得，可光交联形成具有一定强度适于细胞生长与分化的三维结构，GelMA兼具天然和合成生物材料的特征，具备可逆的温敏交联特性和不可逆的光交联特性，由于其优异的生物活性和可调的理化性能，使得GelMA在组织工程等领域被广泛地使用，逐渐成为细胞3D培养的首选材料。
[0003]然而，GelMA的生物3D打印一直面临巨大的挑战。对于应用最广泛的挤出打印，由于GelMA粘度极低，类似于水，无法进行直接挤出打印，排除影响细胞相容性的混合打印，当前挤出打印GelMA的策略有、冷凝打印、原位光交联打印。由于原位交联程度难以控制，打印过程相对难以操控，目前的普及度较低，主要流行的还是通过冷凝增稠进行打印。
[0004]冷凝打印GelMA，主要是利用GelMA的冷凝特性预冷凝增稠进行打印，但由于明胶温敏性较窄，在室温24℃以上开始热溶，打印时需要控制GelMA预冷凝增稠程度，同时还需要控制打印时的环境温度，对温度控制的要求高且导致打印不稳定。此外GelMA冷凝形成的凝胶粘性较高，弹性较大，不利于顺畅挤出，综上，导致GelMA冷凝打印策略用户体验不好，有待进一步优化，提高其用户体验感和普适性。
[0005]生物功能化是后续各种组织工程与再生医学应用场景的保障，生物3D打印最终目标是构建功能化活性组织，相比于墨水的可打印性，墨水的生物活性是需要考虑的第一要素。然而，高活性生物材料配方墨水一般呈低粘度强度的理化属性，与可打印性的高粘度高强度要求背道而驰，无法直接挤出打印。致使墨水普适性高、应用最为广泛的挤出式生物3D打印长期处于平衡生物墨水活性和可打印性的矛盾性难题中。
[0006]随着生物3D打印发展，针对低粘度低强度墨水难以打印的难题，提出一种支撑浴介质中进行挤出式打印的技术，悬浮打印允许针头移动划开悬浮支撑液形成缝隙的同时沉积墨水到缝隙当中。悬浮支撑介质的存在使得打印丝避免了重力作用下的变形和坍塌。随后，关于各种材料制备支撑浴进行悬浮打印的研究陆续涌现，如卡波姆、琼脂糖、海藻酸盐、结冷胶、明胶等微胶体颗粒型支撑浴。
[0007]研究者们总结出，适于悬浮打印的支撑浴需具有宾汉流体特性，即当针状喷嘴在支撑浴里运动时，高剪切力使支撑浴呈流体特性，但在喷嘴移动的后方剪切力消失，支撑浴可快速自愈合并转换为刚性，可瞬间将挤出墨水包裹、固定在原位，从而实现层层沉积成形。
[0008]然而，目前为了防止墨水在支撑浴内扩散，多是针对墨水的交联机制，在支撑浴内构建墨水的实时交联环境，导致用于悬浮打印的墨水多是接触式交联机制的材料，如离子交联、酶交联、pH交联，对于非接触式交联的材料，如光交联，不太适用。同时，目前已知的支
撑浴，自愈合速度有限，打印时，为了避免墨水被支撑浴挤压在喷头划过的裂缝中自由流动导致无法打印，要求墨水具有一定的初始粘度，以减缓其流动性。
[0009]而对于非粘性低粘度光交联GelMA的悬浮打印，有研究者利用亚硫酸根可实现GelMA交联的机制，开发出含有亚硫酸根的支撑浴用于悬浮打印GelMA。由于亚硫酸根固化GelMA的速度较慢，无法实现GelMA的快速原位交联封装，加上所使用支撑浴的自愈合速度有限，需要提高GelMA的浓度(＞10％w/v)来提高墨水粘度和原位交联封装速度，防止其扩散，但是高浓度的GelMA不利于包裹细胞的生长。目前能用于自由悬浮打印全粘度范围内GelMA的支撑浴还未见报道。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是提供卡拉胶在生物3D打印中的应用，可有效操控无法挤出式打印的生物材料，如明胶衍生物GelMA的精准定位打印。
[0011]为实现上述目的，本专利技术提供了卡拉胶在生物3D打印中的应用，生物3D打印包括生物墨水和支撑浴，卡拉胶与GelMA溶液的组合在生物墨水中的应用，卡拉胶与磷酸盐缓冲液的组合在支撑浴中的应用。
[0012]优选的，生物墨水的应用中卡拉胶的浓度为0.1％w/v、0.3％w/v和0.5％w/v中的一种。
[0013]优选的，支撑浴中应用中卡拉胶的浓度为0.3％w/v、0.4％w/v和0.5％w/v中的一种。
[0014]优选的，卡拉胶为κ
‑
卡拉胶、ι
‑
卡拉胶和λ
‑
卡拉胶中的一种。
[0015]因此，本专利技术采用上述成分的卡拉胶在生物3D打印中的应用，其有益效果为：1、κ
‑
卡拉胶用于制备生物墨水时，不仅作为增稠剂来增强GelMA的打印性能，还增强了室温(25
‑
28℃)下的可逆热敏交联稳定性，且不影响GelMA的生物相容性；
[0016]2、凝胶状的κ
‑
卡拉胶/GelMA生物墨水可以在注射器中进行空间重组，并生物打印成具有自然过渡截面和梯度孔隙结构的复杂结构；
[0017]3、卡拉胶由于其独特的硫酸酯基团的存在，导致了其两步成胶的机制，低温下先通过无序的高分子链形成双螺旋结构，这些双螺旋在进一步地降温或者离子的作用下互相连接成网络，与ι型和λ型相比，作为支撑浴制备材料的κ类型具有成胶性强和典型的热敏性特征；
[0018]4、κ
‑
卡拉胶支撑浴在较小的针头剪切和受力变形程度下就可以从具备弹性为主的固态性质转成具备粘性为主的液态性质，这利于墨水顺畅地嵌入沉积，针头离开打印区域后，流动的液态性质的κ
‑
卡拉胶支撑浴快速地恢复到弹性为主的固体状态，该特性使得κ
‑
卡拉胶支撑浴可以快速地包裹打印丝径并且通过高模量的支撑能力避免打印丝的坍塌变形；
[0019]5、κ
‑
卡拉胶支撑浴极小的低屈服应力保证了在针头移开后，在周围静水压的作用下可以快速屈服并愈合，及时地填补被针头划开的空间，将针头移动时挤出的材料包埋，避免打印墨水上升；
[0020]6、打印过程和κ
‑
卡拉胶支撑浴不会影响细胞活性，κ
‑
卡拉胶支撑浴是生物相容的，低粘度GelMA生物墨水在κ
‑
卡拉胶支撑浴中挤出打印的细胞培养载体在细胞培养和再
生医学领域中具有应用前景。
[0021]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0022]图1是本专利技术不同卡拉胶浓度的κ
‑
卡拉胶/GelMA生物墨水力学性能图；
[0023]图2是本专利技术κ
‑
卡拉胶/GelMA生物墨水中卡拉胶溶解前后的结构形态、孔隙度和机械性能之间的关系图；
[0024本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.卡拉胶在生物3D打印中的应用，生物3D打印包括生物墨水和支撑浴，其特征在于：卡拉胶与GelMA溶液的组合在生物墨水中的应用，卡拉胶与磷酸盐缓冲液的组合在支撑浴中的应用。2.根据权利要求1所述的卡拉胶在生物3D打印中的应用，其特征在于：生物墨水的应用中卡拉胶的浓度为0.1％w/v、0.3％w/v和0.5％w/v中的一种。3.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵磊，王雪萍，蒋金洪，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：