[發明專利]一種基于絲素蛋白和透明質酸的3D打印材料制備方法

在審

• 申請號: 201910918773.0
• 申請日: 2019-09-26
• 公開（公告）號: CN110607076A
• 公開（公告）日: 2019-12-24
• 發明（設計）人: 敖英芳;孫牧旸;胡曉青
• 申請（專利權）人: 北京大學第三醫院(北京大學第三臨床醫學院)
• 主分類號: C08L89/00
• 分類號: C08L89/00;C08L5/08;C08J3/24;C08J3/28;C08J9/28;B33Y70/00
• 代理公司: 11252 北京維澳專利代理有限公司
• 代理人: 王立民;江懷勤

本發明涉及一種基于絲素蛋白和透明質酸的高強度3D打印材料制備方法，包括絲素蛋白提煉、透明質酸修飾及生物墨水制備的步驟，本技術方案將實現基于天然高分子材料的高強度3D打印，打印結構清晰穩定，打印環境容錯率高，不受溫度濕度影響，打印的支架強度同目前常用的天然高分子支架相比有顯著提升。降解速率更慢，可以支撐支架在體內的長期功效。打印原料簡單易得，不需要大量的化學反應，適合工業推廣。

技術領域

本技術領域屬于3D打印技術領域，特別是指一種基于絲素蛋白和透明質酸的高強度3D打印材料制備方法。

背景技術

隨著近幾年3D打印技術的進步，在臨床醫療與科研領域，3D打印逐漸發揮越來越多的作用。在臨床應用中，基于金屬3D打印的骨組織修復已經獲得廣泛的應用。和傳統金屬支架相比，3D打印支架可以基于患者的受損區域個性化訂制支架，使得產品和缺損區相匹配，有利于組織再生和患者的術后康復。金屬材料的機械強度高，可以有效彌補缺損組織的缺失功能，同時避免組織再生過程中由于強度導致的修復失敗。和金屬3D打印相比，軟組織3D打印目前在臨床上尚無應用案例。在基礎科學研究中，盡管軟組織3D打印可以實現器官的打印，并實現器官的部分功能，但是限制其臨床轉化的主要因素之一就是機械強度不足。

目前軟組織3D打印使用的主要材料包括明膠、海藻酸鹽、膠原蛋白、PEGDA等幾種材料。這些材料雖然可以實現打印，但是均具有較大缺陷。海藻酸鹽在體內使用會產生炎癥反應，其水解速率也較快。膠原蛋白雖然生物相容性很好，但是打印條件嚴苛，蛋白類材料活性高不易保存，成本也很昂貴。明膠是目前使用最為廣泛的生物3D打印材料，但是作為蛋白充分水解的產物，明膠在體液環境下受蛋白酶酶解調控，降解較快，而明膠的打印也受溫度和濕度影響。PEGDA作為聚乙二醇的衍生高分子聚合物，打印穩定條件簡單，力學強度好。但是PEGDA的降解非常緩慢，長達數年。在損傷組織自愈的過程中，過慢的降解速度會導致組織愈合不充分，為二次組織損傷埋下陰影。

絲素蛋白作為生物高分子材料，降解產物沒有毒副作用，提取方式簡單，僅需要通過堿熱除去蠶繭中的絲膠蛋白即可。同其他生物大分子材料相比，絲素蛋白力學強度優異，干膜的彈性模量可以達到2GPa，是理想的高強度生物高分子支架的材料選擇。然而目前以絲素蛋白為主體材料研發的生物墨水尚不多見。

除了絲素蛋白外，透明質酸也是目前常用的一類生物大分子。透明質酸作為人體內的固有成分之一，降解快，降解產物沒有毒性，已經廣泛用于整形外科手術中。和其他多糖類材料相比，透明質酸免疫原性低，更適用于人體內的使用。但是透明質酸由于強度差粘度高，需要使用高濃度的透明質酸或者進行復雜的交聯反應才能實現成膠。

基于絲素蛋白的生物墨水只有Joao等人于2017年在Advanced HealthcareMaterials上發表《Fast Setting Silk Fibroin Bioink for Bioprinting of Patient-Specifc Memory-Shape Implants》一篇文章。在該文中，作者使用高濃度的絲素蛋白溶液(大于10％)，通過酶交聯的形式成膠后，通過剪切稀化的方式進行3D打印。在透明質酸3D打印的領域，主要的工作都是由Burdick組完成。在《3D Printing of shear-thinninghyaluronic acid hydrogels with secondary crosslinking》一文中，他們利用主客體反應分別對透明質酸鏈進行修飾，再以剪切稀化的形式進行初步打印，然后利用光交聯進行二次固化。

盡管兩篇文章均可以實現絲素蛋白和透明質酸的3D打印，但是各自均存在較大的局限，限制了其進一步的應用和商業推廣。Joao一文中實現3D打印的方法需要極高的絲素蛋白濃度，一方面高濃度的蛋白會降解極其緩慢，一方面這也會加快絲素蛋白變性的過程，使得反應原料很不穩定。而在Burdick一文中，他們需要先對透明質酸進行雙鍵的修飾，再對支架進行環糊精和金剛烷的修飾，制樣周期極長。

發明內容