[發(fā)明專利]一種3D打印高強度生物墨水材料

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201711348405.4
• 申請日: 2017-12-15
• 公開（公告）號: CN107998449A
• 公開（公告）日: 2018-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 董世磊;石然;周永勇;閔敏;歐陽楊;王玲;徐銘恩
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州捷諾飛生物科技股份有限公司
• 主分類號: A61L27/20
• 分類號: A61L27/20;A61L27/22;A61L27/52;C08J3/075;C08L5/04;C08L5/08;C08L89/00;B33Y10/00;B33Y70/00
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 黃前澤

本發(fā)明公開一種3D打印高強度生物墨水材料。本發(fā)明雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用形成β折疊結(jié)構(gòu)的絲蛋白和離子交聯(lián)的海藻酸構(gòu)建而成，同時利用明膠的溫敏快速成膠性能，實現(xiàn)很好地成型效果。本發(fā)明生物墨水的力學(xué)強度可控，顯著提高水凝膠強度。針對不同組織應(yīng)用特性，通過不同材料配比即可制備出一系列不同強度的生物墨水，3D打印可為病人定制化設(shè)計，更適合臨床上的應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于生物醫(yī)用高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于3D打印生物支架、組織和器官的生物墨水。

背景技術(shù)

生物3D打印是基于3D打印生物材料(生物因子、細胞和生物相容材料)的過程。其中打印材料常稱為生物墨水，一種基于細胞相容的水凝膠。

現(xiàn)有的生物墨水根據(jù)來源可以分為合成類水凝膠和天然類水凝膠：(1)合成類水凝膠如聚丙烯酰胺(PAAM)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)、普蘭尼克等作為打印墨水時成型效果好，但生物相容性需要進一步化學(xué)修飾改善，因此安全性尚謹慎考慮；(2)天然類水凝膠如膠原蛋白、纖維蛋白、蠶絲蛋白、明膠、瓊脂糖、海藻酸鈉等具有良好的生物相容性以及類似細胞外基質(zhì)的凝膠結(jié)構(gòu)和功能，在生物打印領(lǐng)域廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有常用的生物墨水材料體系，大多為單一水凝膠體系或合成類水凝膠、天然類水凝膠其中的二元復(fù)合體系，存在機械強度不足，無法適應(yīng)組織實際應(yīng)用的情況。

目前硬組織打印技術(shù)漸為成熟，但軟組織如血管、皮膚仍需要進一步完善。軟組織在體內(nèi)受到內(nèi)外力作用，需要較好的拉伸和壓縮性能，相應(yīng)需要可以用于3D打印高強度生物墨水。盡管最近有高強度水凝膠研究報道，但制備這些水凝膠通常存在有毒的化學(xué)試劑(如專利CN 106146865A，通過對細胞有毒的有機試劑使水凝膠形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò))或反應(yīng)過程苛刻(如專利CN 104628936A，通過紫外光長時間交聯(lián)，對于細胞損傷會很大；如專利CN105601950A，材料制備條件需要溫度高達95℃)，限制了它們包裹細胞進行打印。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有生物打印墨水的強度不足，提供一種3D打印高強度生物墨水材料,提供具有可調(diào)良好力學(xué)性能并能負載細胞，以解決的軟組織仿生打印問題。本發(fā)明生物墨水復(fù)合不同親水性生物材料和細胞因子，可以支持不同組織細胞的增殖與分化。

本發(fā)明3D打印高強度生物墨水材料為多元材料體系，主要利用形成β折疊結(jié)構(gòu)的絲蛋白和離子交聯(lián)的海藻酸構(gòu)建而成雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時利用明膠的溫敏快速成膠性能，實現(xiàn)很好地成型效果。在這三元材料體系基礎(chǔ)上，復(fù)合其他親水性生物材料、細胞因子及生物細胞，進一步提升生物墨水的生物性能及功能。

其中絲蛋白(又稱蠶絲蛋白)作為一種純天然高分子材料，因其良好的力學(xué)性能、生物相容性和可降解性，在組織工程領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。絲蛋白可由蠶繭或蠶絲脫膠制備出再生蠶絲蛋白溶液而得，其中絲蛋白占蠶繭的70-75wt％。絲蛋白溶液，大多以無規(guī)線團構(gòu)象存在，在一定的外界條件(如升溫、降低pH值、電場、加入金屬離子、超聲、渦旋或添加水溶性有機物等)均可誘導(dǎo)和促進蠶絲蛋白構(gòu)象由無規(guī)線團向β折疊轉(zhuǎn)變。通過β折疊結(jié)構(gòu)這一物理交聯(lián)方式形成蠶絲蛋白水凝膠，可應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

其中海藻酸源自海藻和細菌，是一種無毒性、成膠條件溫和的天然多糖。線性海藻酸結(jié)構(gòu)，由β-D-甘露糖醛酸(M單體)和α-L-古洛糖醛酸(G單體)依靠β-1,4-糖苷鍵形成的交替共聚物或嵌段共聚物。可以通過二價陽離子(Zn2+，Ni2+，Co2+，Ca2+，Ba2+，Sr2+等)快速螯合M單體和G單體上的羧基基團，形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于細胞包裹及組織工程。