CN114058011A - 一种ε-聚赖氨酸衍生物生物墨水的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功能新材料技术领域，具体技术方案为：ε‑聚赖氨酸衍生物生物墨水，由甲基丙烯酸缩水甘油酯与ε‑聚赖氨酸进行化学反应而制成，在光引发剂的作用下，能够在紫外光源照射下由液态转变为凝胶态；具体制备方法为：将ε‑聚赖氨酸水溶液与甲基丙烯酸缩水甘油酯按照体积比为50:1‑5的比例进行混合，在50‑80℃的温度下反应4‑8h，透析并去除未反应的物质，真空冷冻干燥，用去离子水溶解，得生物墨水；具体应用：该生物墨水的特征在于其具有光响应的能力，能够在紫外光照射下由液态转变为凝胶态，从而完成光固化3D打印，高效，稳定，安全。
Description
技术领域
本发明属于功能新材料技术领域，具体涉及一种具有光响应特性的ε-聚赖氨酸的生物墨水制备方法和应用。
背景技术
3D打印（又称“增材制造”）已成为推动新一轮技术创新和产业变革的重要力量。生物医疗领域以其需求量大、个性化程度高、产品附加值高的特点，成为3D打印技术的重要应用领域。虽然，生物3D打印技术已经被应用于术前规划、体外医疗辅助器械等领域，并且未来将向可降解体内植入物和3D打印生物组织/器官等方向发展，但是，选用合适的“墨水”材料仍然是生物3D打印所面临的一大难题，医疗3D打印材料成为产业发展的瓶颈。
ε-聚赖氨酸是一种天然高分子材料，通常由微生物发酵制得，分子量在3000-5000Da之间，且分子链上拥有大量的氨基活性基团。其在水溶液或者酸性环境下可以结合氢离子带上正电荷形成阳离子聚合物，这种阳离子聚合物可以很好地结合在细胞表面从而达到黏附细胞的目的，具有良好的生物相容性，并且其降解产物赖氨酸为人体必须氨基酸。目前，在生物材料医学领域，由于ε-聚赖氨酸富含阳离子，可与带有阴离子的物质产生强静电作用力，并且对生物膜有良好的穿透性，因此，目前它被用于某些药物的载体。
发明内容
为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种具有光响应特性的ε-聚赖氨酸的生物墨水，该生物墨水是通过将ε-聚赖氨酸与甲基丙烯酸缩水甘油酯反应获得，甲基丙烯酸缩水甘油酯是一个同时具有丙烯酸酯基团和环氧基团的单体，丙烯酸酯基团的反应活性较高，能够发生自聚反应，也可以和很多其他单体进行共聚反应；而环氧基团则可以和羟基、氨基、羧基或酸酐发生反应，引入更多的官能团。通过该反应，在ε-聚赖氨酸的活性氨基上引入丙烯酸酯基团，从而赋予了生物墨水光响应的特性。
本发明还提供了生物墨水用于光固化3D打印。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种ε-聚赖氨酸衍生物生物墨水的制备方法，具体步骤如下：
将分子量为3500-5000的ε-聚赖氨酸，在室温下溶解到去离子水中搅拌形成澄清溶液，配制成浓度为10 wt% 的水溶液。
将ε-聚赖氨酸与甲基丙烯酸缩水甘油酯按照体积比为50:1-5的比例进行混合。
使上述混合后的溶液在50-80℃的温度下反应4-8h。
将反应后的溶液在去离子水中透析4天，去除未参与反应的物质。
将透析后的溶液通过真空冷冻干燥处理，得到淡黄色海绵状固体。
将上述所得的淡黄色海绵状固体用去离子水溶解，得到ε-聚赖氨酸生物墨水的水溶液。
在浓度为10 wt%的ε-聚赖氨酸生物墨水的水溶液中加入质量分数为0.1%的紫外光引发剂LAP（2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸苯基锂），置于波长为405mm的Nova3D打印机中，打印即得凝胶模型。
本发明与现有技术相比，具体有益效果体现在：本发明采用天然生物材料，过程简单，反应迅速可控且ε-聚赖氨酸水凝胶对受体无毒，可以被人体分解为氨基酸，具有生物降解性和生物相容性。通过改变ε-聚赖氨酸的浓度以及调整甲基丙烯酸缩水甘油酯的取代程度，能够对凝胶的成型速度和力学强度进行调节。本发明制得的水凝胶材料可作为3D打印生物墨水，高效、稳定、安全地应用于3D打印技术。
附图说明
图1为本发明制备的ε-聚赖氨酸生物墨水的分子结构及打印示意图。
图2为接枝甲基丙烯酸基团的聚赖氨酸聚合物的分子结构。
图3为本发明通过3D打印的凝胶模型与CAD设计模型对比的照片。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
称取分子量为3500-5000的ε-聚赖氨酸10g，在室温下溶解到100ml去离子水中搅拌至澄清，配制成浓度为10 wt%的ε-聚赖氨酸溶液；将ε-聚赖氨酸水溶液与甲基丙烯酸缩水甘油酯按照体积比为50:1的比例进行混合，然后在60℃水浴加热条件下搅拌6h；将反应后的溶液取出，在pH=6-7的去离子水中透析4天（透析袋的截留分子量为1000），透析后通过真空冷冻干燥制得甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的ε-聚赖氨酸生物墨水，ε-聚赖氨酸生物墨水的分子结构及打印示意图如图1所示，接枝甲基丙烯酸基团的聚赖氨酸聚合物的分子结构如图2所示。
将制得的ε-聚赖氨酸生物墨水粉末重新溶解于去离子水中，得到浓度为10 wt%的甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的ε-聚赖氨酸溶液；向此溶液中加入质量分数为0.1%的紫外光引发剂LAP并搅拌使其完全溶解；在室温下，将加入光引发剂的甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的ε-聚赖氨酸溶液置于波长为405mm的Nova3D打印机中打印即得凝胶模型。
打印所得的凝胶模型与CAD设计模型的对比结果如图3所示。
实施例2
称取分子量为3500-5000的ε-聚赖氨酸10g，在室温下溶解到100ml去离子水中搅拌至澄清，配制成浓度为10 wt%的ε-聚赖氨酸溶液；将ε-聚赖氨酸水溶液与甲基丙烯酸缩水甘油酯按照体积比为50:3的比例进行混合，然后在55℃水浴加热条件下搅拌6h；将反应后的溶液取出，在pH=6-7的去离子水中透析4天（透析袋的截留分子量为1000），透析后通过真空冷冻干燥制得甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的ε-聚赖氨酸生物墨水；将制得的ε-聚赖氨酸生物墨水粉末重新溶解于去离子水中，得到浓度为10 wt%的甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的ε-聚赖氨酸溶液；向此溶液中加入质量分数为0.1%的紫外光引发剂LAP并搅拌使其完全溶解；在室温下，将加入光引发剂的甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的ε-聚赖氨酸溶液置于波长为405mm的Nova3D打印机中，打印即得凝胶模型。
实施例3
称取分子量为3500-5000的ε-聚赖氨酸10g，在室温下溶解到100ml去离子水中搅拌至澄清，配制成浓度为10 wt%的ε-聚赖氨酸溶液；将ε-聚赖氨酸水溶液与甲基丙烯酸缩水甘油酯按照体积比为10:1的比例进行混合，然后在70℃水浴加热条件下搅拌6h；将反应后的溶液取出，在pH=6-7的去离子水中透析4天（透析袋的截留分子量为1000），透析后通过真空冷冻干燥制得甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的ε-聚赖氨酸生物墨水；将制得的ε-聚赖氨酸生物墨水粉末重新溶解于去离子水中，得到浓度为10 wt%的甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的ε-聚赖氨酸溶液；向此溶液中加入质量分数为0.1%的紫外光引发剂LAP并搅拌使其完全溶解；在室温下，将加入光引发剂的甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的ε-聚赖氨酸溶液置于波长为405mm的Nova3D打印机中打印即得凝胶模型。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本发明范围内。
Claims (3)
1.一种ε-聚赖氨酸衍生物生物墨水的制备方法，其特征在于，该生物墨水是通过甲基丙烯酸缩水甘油酯上的环氧基与ε-聚赖氨酸侧链的氨基发生开环加成反应得到，其制备方法如下：
一、将ε-聚赖氨酸溶于去离子水中，得到浓度为10 wt% 的ε-聚赖氨酸水溶液，然后将其与甲基丙烯酸缩水甘油酯按照体积比为50:1-5的比例进行混合，在50-80℃的温度下反应4-8h；
二；将反应后的溶液在去离子水中透析4天，去除未参与反应的物质；
三、将透析后的溶液通过真空冷冻干燥处理，得到淡黄色海绵状固体；
四、将上述所得的淡黄色海绵状固体用去离子水溶解，得到浓度为10 wt%的ε-聚赖氨酸生物墨水的水溶液；
五、在步骤四中制得的水溶液中加入质量分数为0.1%的紫外光引发剂，水溶液在紫外光源照射下由液态转变为凝胶态。
2.根据权利要求1所述的一种ε-聚赖氨酸衍生物生物墨水的制备方法，其特征在于，所述ε-聚赖氨酸的分子量为3500-5000。
3.由权利要求1所述的制备方法制得的生物墨水的应用，其特征在于，作为光固化3D打印的墨水材料。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220218 |