[發明專利]一種利用3D打印制備高強度雙網絡水凝膠支架的方法

有效

• 申請號: 201510087119.1
• 申請日: 2015-02-25
• 公開（公告）號: CN104628936B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 李學鋒;黃大華;閆晗;袁亞;龍世軍
• 申請（專利權）人: 湖北工業大學
• 主分類號: C08F220/54
• 分類號: C08F220/54;C08F2/48;C08J3/24;C08L33/24;C08L5/04;C08K3/32;B29C67/24;B33Y10/00;B33Y70/00;A61L27/26;A61L27/52
• 代理公司: 武漢帥丞知識產權代理有限公司42220
• 代理人: 朱必武

技術領域

本發明屬于生物醫用高分子材料技術領域，具體涉及一種利用3D打印制備高強度雙網絡水凝膠支架的方法。

背景技術

在生物醫療領域，器官與組織的移植及修復仍面臨巨大的困難與挑戰。而近年來出現的3D打印組織工程支架技術在解決這類問題上發揮著越來越重要的作用。3D打印組織工程支架技術是把三維快速成型技術與組織工程技術相結合，打印出具有良好生物相容性、優異力學性能、理想三維微觀結構及可控宏觀外形的支架的一種新興技術。通過這種技術打印出的支架可用于進行細胞培養，使細胞在其中生長、增殖與分化，形成具有特定形狀結構的組織或器官，從而用于作為人體組織或器官的替代物，以解決器官或組織供體不足的問題。由于天然或合成聚合物水凝膠具有良好的生物相容性，因此在細胞培養上有著極大的應用價值。在過去的十幾年里，這類水凝膠作為一系列組織或器官修復與再生的基板，已經引起了研究人員對它們的特別關注。理想的水凝膠支架材料應該具有如下特征：1、支架內部應具有相互貫通的三維網絡結構，以利于細胞生長時營養物質的輸送及代謝產物的排出；2、支架本身應具有良好的生物相容性及可控的降解性，以使其被新生成的組織所替代，以此來達到修復受損組織或器官的目的；3、支架應具有合適的表面化學性能，以適應細胞的粘附、增殖及分化；4、支架應具有較高的力學性能來承受消毒滅菌或在體內進行組織修復時所受到的外力作用（Hutmacher D W, Schantz T, Zein I, et al. Journal of Biomedical Materials Research, 2001, 55: 203-216）。目前3D打印水凝膠所形成支架的一個重要的缺陷就是很難使其同時具有100～500μm的精細的線條結構與較高的力學強度（Hutmacher D W. Biomaterials, 2000, 21: 2529-2543）。

美國Boland 研究組利用帶三軸平臺的HP DeskJet 550將油墨盒中的海藻酸鈉溶膠混合CaCl₂溶液并進行噴射，通過層-層疊加的方法成功地打印出了海藻酸鈉單層網絡凝膠支架，再通過粘附性多肽對其進行表面處理之后進行老鼠內皮細胞培養，觀察發現細胞在支架上生長狀態良好（Boland T, Xu T, Damon B J. et al. Materials Science and Engineering C, 2007, 27: 372-376）。德國Landers 研究組利用動物明膠及瓊脂糖的溫敏性，通過數控氣壓注射軟件控制注射，把經過加熱處理的明膠-瓊脂糖混合溶液注射到處于受3D 打印機控制運動的溶液槽中的低溫介質溶液中，使其快速固化成型（Landers R, Hubner U, Schmelzeisen R, et al. Biomaterials, 2002, 23: 4437-4447）。以上通過層-層疊加技術所構建的三維凝膠支架，由于受固化手段的限制，僅能通過初步物理交聯得到支架，這樣物理交聯得到的凝膠支架均為軟而弱的凝膠支架，這不利于構建組織工程軟骨修復支架的承載結構。此外，用全物理交聯的凝膠打印出的凝膠支架力學性能不足，在進行消毒處理時容易受到破壞。

日本的Furukawa研究組為了3D成型雙層網絡水凝膠支架，把第一層脆性凝膠制成凝膠微粒后，與第二層柔性聚合物單體溶液混合，在用3D打印機打印成型支架的同時進行激光交聯，成功打印出了具有較高力學性能的雙層網絡水凝膠支架（Muroi H, Hidema R, Gong J, et al. Solid Mechanics and Materials Engineering, 2013, 7: 163-168）。在支架打印的同時進行激光交聯，由于在水溶液中進行高分子化學交聯反應較慢，使打印并同步交聯的支架精度受到限制，一般約為數百微米至數毫米，這不利于構建精細復雜的組織支架結構。同時由于溶膠不同部位所受光照強度不同，聚合與交聯反應的程度也會隨之不同，使水凝膠的性能均勻性受到影響。

發明內容