CN108359143A - 一种水凝胶3d打印材料及其制备方法 - Google Patents

一种水凝胶3d打印材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种水凝胶3D打印材料及其制备方法，所述水凝胶3D打印材料由A凝胶和B凝胶组成，其中，A凝胶由以下重量份数的原料制成，氨基化透明质酸8～15份，纤维素5～12份，阳离子甲壳素2～8份，水20～30份；B凝胶由以下重量份数的原料制成，碱性明胶10～20份，海藻酸30～40份。本发明还包括水凝胶3D打印材料的制备方法。本发明的优点在于本发明的优点在于生物相容性好，对细胞易亲和，对细胞和组织无毒性，可达到形状和空隙可调，可以任意用程序和源代码控制，安全有效可控，并能具有良好的流变性、切力变稀特性和柔韧性；而且选用的所有材料均是美国FDA批准可在临床上使用，生物降解好，对人体也无害，成本低。

Description

一种水凝胶3D打印材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种3D打印材料及其制备方法，具体涉及一种水凝胶3D打印材料及其制备方法。
背景技术
三维打印为工业应用中的增材制造技术，因具有精度高、可操控性强的制造特性，现在医疗临床和科研领域迅速发展。水凝胶因其三维网络结构能模拟自然组织，在三维生物打印中作为生物纸能满足形态学要求并较好地支持细胞增殖，可用作细胞生长的支架，从而引起了广泛关注。近年来，通过控制水凝胶形状、多孔性、表面形态、大小等参数，水凝胶在三维生物打印领域取得了一系列进展，但在实际打印中仍然存在诸多难题，例如，选择水凝胶应用于三维生物打印时，还需要考虑包括打印过程中的交联凝结、柔软性和力学性能的兼容、打印精度可控、与打印器具表面的兼容性、生物相容性、长期物理化学稳定性等，同时为了避免细胞从表面脱落，用于细胞封装的水凝胶与细胞团附着面之间的相互作用也显得至关重要，从而限制了水凝胶选择范围。
目前，人工合成水凝胶能进行大规模量产，具有结构和性能可精细调控且重复性好、易于加工、力学性能较强等优点，但是作为3D打印材料存在的最大不足是其对细胞的亲和力较差，常缺乏必要的生物相容性来支持细胞的增殖与分化、无免疫应答性及生物降解速度缓慢，同时人工合成水凝胶交联方式普遍比较复杂，当前能应用到3D打印中的水凝胶体系寥寥无几。天然水凝胶具有生物亲和力高、胶凝作用温和及化学修饰灵活、制备成本相对较低等优势，加之其无毒性、能较好地模拟细胞微环境，故能很好地支持细胞生长。因此，作为 3D生物打印材料前景广阔，但是天然水凝胶也有共同的不足，主要表现为结构与性能可调范围窄、力学性能较差。当前，这些不足通常通过灵活化学修饰得以改进。例如，德克萨斯理工大学和德克萨斯A&M大学通过将3D打印海藻酸盐结构浸入氯化钙溶液引入钙离子，二者形成交联，使其抗拉强度接近人类自然的软骨，但是这种全离子交联的水凝胶往往脆性较大，在后续使用过程中结构容易破坏，并且当其接触人体组织液时，会发生Ca2+-Na+离子交换而溶解，结构无法保持。CN 103977453 A公开了一种3D生物打印水凝胶材料，必须加入光聚合引发剂或/和交联剂，用于调控水凝胶的网络结构的交联度，提高了材料强度，但是打印出来的溶胶塑形困难、尺寸难以保持，生物相容性差，并对细胞有毒害作用。CN103705982A公开了一种壳聚糖/透明质酸/明胶交联复合多孔支架的制备方法以及CN104327311A公开了一种透明质酸复合交联水凝胶中，均为改进透明质酸力学性能，防止被透明质酸酶酶解，在其胶凝过程中加入交联剂进行化学基团交联，生物相容性差，打印精度低，且难以控制释放生物大分子。
综上可见，寻找到并应用合适的水凝胶成分作为细胞载体形成三维生物打印“墨水”是解决目前三维生物打印的关键环节。因此，亟待需要通过进一步的材料学研究探索来寻求形状和空隙可调，良好的流变性、切力变稀特性、柔韧性、生物相容性和细胞亲和性等多重生物打印需求的更优良的水凝胶3D打印材料，并结合高精准度、可操控性强的三维生物打印技术，才有望体外精准构建人体组织器官，从而带动制药、医疗器械等行业发展，产生明显的社会经济效益和生态环保价值。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种水凝胶3D打印材料，由A 凝胶和B凝胶组成，其中，A凝胶由以下重量份数的原料制成，氨基化透明质酸8～15份，纤维素5～12份，阳离子甲壳素2～8份，水20～30份；B凝胶由以下重量份数的原料制成，碱性明胶10～20份，海藻酸30～40份。
进一步，所述A凝胶由以下重量份数的原料制成，氨基化透明质酸10～13 份，纤维素6～8份，阳离子甲壳素3～6份，水22～28份；所述B凝胶由以下重量份数的原料制成，碱性明胶12～18份，海藻酸32～38份。
进一步，所述A凝胶由以下重量份数的原料制成，氨基化透明质酸12份，纤维素8份，阳离子甲壳素5份，水25份；所述B凝胶由以下重量份数的原料制成，碱性明胶15份，海藻酸35份。
本发明进一步的目的是通过以下技术方案实现的，一种水凝胶3D打印材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)A凝胶的制备：在室温条件下，将氨基化透明质酸加入水中搅拌充分溶解，然后滴入纤维素充分搅拌，所述纤维素在30～60min内滴完，最后加入阳离子甲壳素搅拌混匀，再将所得的混合液涡旋震荡30～60S，置于35～37℃水浴中静置2～3min，即得A凝胶；
(2)B凝胶的制备：在室温条件下，将碱性明胶和海藻酸搅拌混匀，然后将所得的混合液涡旋震荡30～60S,置于35～37℃水浴中静置2～3min，即得B凝胶。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种水凝胶3D打印材料在3D 打印技术中的应用，将A凝胶和B凝胶在3D打印机中分别挤出后共混形成。
本发明独创性地设计了双组份的水凝胶3D打印材料，首先通过带正电荷的氨基化透明质酸与水、纤维素、阳离子甲壳素配伍共混形成带正电水凝胶第一体系，保证透明质酸无需添加任何的物理和化学的交联剂条件下自然交联，该正电水凝胶体系能够在较长时间内保持稳定，与细胞具有良好亲和力，能贴壁，生物相容性好，并为细胞增殖与分化提供合适的场所，直接促进细胞生长、分化、重建与修复，自如地控制释放生物大分子；然后通过负电的碱性明胶和负电的海藻酸通过静电作用等多种作用力形成负电凝胶第二体系；最后在3D打印机中分别挤出后利用电性共混形成水凝胶，达到形状和空隙可调，可以任意用程序和源代码控制，安全有效可控，同时具有良好的流变性、切力变稀特性和柔韧性。
本发明的优点在于生物相容性好，对细胞易亲和，对细胞和组织无毒性，可达到形状和空隙可调，可以任意用程序和源代码控制，安全有效可控，并能具有良好的流变性、切力变稀特性和柔韧性；而且选用的所有材料均是美国FDA 批准可在临床上使用，生物降解好，对人体也无害，成本低。
具体实施方式
下面将参照更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
1、材料：氨基化透明质酸，纤维素，阳离子甲壳素，碱性明胶、海藻酸均来自购买。
实施例1：水凝胶3D打印材料的制备方法
(1)A凝胶的制备：在室温条件下，将12份氨基化透明质酸加入25份水中搅拌充分溶解，然后滴入8份纤维素充分搅拌，最后加入5份阳离子甲壳素搅拌混匀，再将所得的混合液涡旋震荡30S，置于37℃水浴中静置2min，即得A凝胶；
(2)B凝胶的制备：在室温条件下，将15份碱性明胶和35份海藻酸搅拌混匀，再将所得的混合液涡旋震荡30S，置于37℃水浴中静置2min，即得B凝胶。
实施例2：水凝胶3D打印材料的制备方法
(1)A凝胶的制备：在室温条件下，将10份氨基化透明质酸加入27份水中搅拌充分溶解，然后滴入10份纤维素充分搅拌，最后加入3份阳离子甲壳素搅拌混匀，再将所得的混合液涡旋震荡50S，置于35℃水浴中静置3min，即得A凝胶；
(2)B凝胶的制备：在室温条件下，将18份碱性明胶和32份海藻酸搅拌混匀，再将所得的混合液涡旋震荡50S，置于35℃水浴中静置3min，即得B凝胶。
实施例3：水凝胶3D打印材料的制备方法
(1)A凝胶的制备：在室温条件下，将13份氨基化透明质酸加入25份水中搅拌充分溶解，然后滴入6份纤维素充分搅拌，最后加入6份阳离子甲壳素搅拌混匀，再将所得的混合液涡旋震荡40S，置于37℃水浴中静置2min，即得A凝胶；
(2)B凝胶的制备：在室温条件下，将18份碱性明胶和32份海藻酸搅拌混匀，再将所得的混合液涡旋震荡40S，置于37℃水浴中静置2min，即得B凝胶。
实施例4：水凝胶3D打印材料的应用
利用3D打印机将实施例1～3制备的A凝胶和B凝胶按照1:1的比例在3D 打印机中分别挤出后共混、快速打印成细胞生长支架。
经测定，实施例1～3制备的A凝胶和B凝胶可任意由3D打印程序控制流量、流速以及打印凝胶的大小、粗细、厚度，打印精度可以达到微米级。
经测定，实施例1～3制备的A凝胶和B凝胶经3D打印好的凝胶压缩模量为0.5kpa～500Kpa.粘度为0.1pa.s～100k pa.s，拉伸强度为50pa～30MPa, 拉伸应变为1％～300％。由此可见，本发明水凝胶3D打印材料形状和空隙可调，可以任意用程序和源代码控制，安全有效可控，并具有良好的流变性、切力变稀特性和柔韧性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种水凝胶3D打印材料，其特征在于，由A凝胶和B凝胶组成，其中，A凝胶由以下重量份数的原料制成，氨基化透明质酸8～15份，纤维素5～12份，阳离子甲壳素2～8份，水20～30份；B凝胶由以下重量份数的原料制成，碱性明胶10～20份，海藻酸30～40份。
2.根据权利要求1所述的水凝胶3D打印材料，其特征在于，所述A凝胶由以下重量份数的原料制成，氨基化透明质酸10～13份，纤维素6～8份，阳离子甲壳素3～6份，水22～28份；所述B凝胶由以下重量份数的原料制成，碱性明胶12～18份，海藻酸32～38份。
3.根据权利要求1所述的水凝胶3D打印材料，其特征在于，所述A凝胶由以下重量份数的原料制成，氨基化透明质酸12份，纤维素8份，阳离子甲壳素5份，水25份；所述B凝胶由以下重量份数的原料制成，碱性明胶15份，海藻酸35份。
4.一种如权利要求1～3之一所述的水凝胶3D打印材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤
(1)A凝胶的制备：在室温条件下，将氨基化透明质酸加入水中搅拌充分溶解，然后滴入纤维素充分搅拌，所述纤维素在30～60min内滴完，最后加入阳离子甲壳素搅拌混匀，再将所得的混合液涡旋震荡30～60S，置于35～37℃水浴中静置2～3min，即得A凝胶；
(2)B凝胶的制备：在室温条件下，将碱性明胶和海藻酸搅拌混匀，然后将所得的混合液涡旋震荡30～60S,置于35～37℃水浴中静置2～3min，即得B凝胶。
5.根据权利要求1～3之一所述的水凝胶3D打印材料在3D打印技术中的应用，其特征在于，将A凝胶和B凝胶按照1：1比例在3D打印机中分别挤出后共混。
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