[發明專利]重組膠原蛋白水凝膠3D打印墨水及其應用

有效

• 申請號: 202111566881.X
• 申請日: 2021-12-20
• 公開（公告）號: CN114288477B
• 公開（公告）日: 2023-02-17
• 發明（設計）人: 李夢杰;李晨昱;王永會;李沖
• 申請（專利權）人: 江蘇江山聚源生物技術有限公司
• 主分類號: A61L27/52
• 分類號: A61L27/52;A61L27/50;A61L27/26;A61L27/54;A61L27/38;B33Y70/00;B33Y80/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 劉海霞

本發明公開了一種重組膠原蛋白水凝膠3D打印墨水及其應用。本發明所述的重組膠原蛋白水凝膠3D打印墨水由以下成分組成：明膠10wt％～15wt％，RHC?NHS 2wt％～8wt％，納米甲殼素1wt％～3wt％，余量為水；RHC?NHS為經EDC/NHS活化的重組膠原蛋白，重組膠原蛋白由保藏編號為CGMCC No.5021的巴斯德畢赤酵母Pichia pastoris發酵產生。本發明通過將明膠、RHC?NHS和納米甲殼素三組分共混，有效調控水凝膠的快速成型、結構固化、凝膠強度及生物活性等性質，不再單純地依靠改變體系的粘度來調整凝膠的性質，有效地降低預凝膠溶液的粘度，提高打印精度，在3D打印高精度生物材料具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明屬于3D打印生物材料技術領域，涉及一種重組膠原蛋白水凝膠3D打印墨水及其在3D打印生物材料中的應用。

背景技術

3D打印是一種以數字模型為基礎，由計算機輔助設計(CAD)或斷層掃描(CT)技術獲得的數據，在計算機控制下，按照逐層疊加的原理，通過打印材料來構建出三維立體精細結構的技術。3D打印具有靈活、快速、精密等特點，已在航天、軍工等行業中發揮重要作用。在醫學領域中，3D打印的骨、牙齒等簡單組織已經應用到臨床中，但這些純材料打印的支架材料只能起到支撐替代的作用而無法修復受損的組織器官。近年來，眾多研究者探索將3D打印技術引入組織修復與再生醫學領域，應用3D生物打印技術以細胞與材料共混打印來實現組織器官的體外個性化快速構建。但傳統打印材料難以滿足生物打印的嚴格要求，制約3D生物打印技術的發展。

水凝膠是交聯的三維親水聚合物網絡，具有類似人體正常生理組織的性質，適宜作為支架材料用于組織修復，在組織工程、藥物傳遞等生物醫用材料領域已有廣泛的應用。因此水凝膠也適用于生物打印，與細胞共打印來構建組織器官。在生物打印過程前，細胞、預凝膠材料、生物活性物質需要預先混合均勻，打印時則需要快速地固化成型，固化后的材料根據不同的組織需求要具有一定的力學強度。因此可用于生物打印的水凝膠材料除了具有細胞支架的一般特點外，還必須具有以下的性質：(1)具有良好生物相容性的同時，其凝膠化過程中所涉及的刺激因素或化學反應必須對細胞活性沒有明顯影響；(2)連續地打印過程要求材料的凝膠化要在幾十秒內完成；(3)固化后的材料要具有一定的力學強度且可保持一定的細胞存活率。

能夠滿足材料細胞共混打印嚴苛的要求進行生物打印的水凝膠材料很少。基于鈣離子交聯的海藻酸鈣水凝膠是一種被廣泛研究的生物打印材料。海藻酸或混合明膠等其他水溶性高分子的海藻酸溶液與種子細胞共混打印后，用含鈣離子的溶液處理，由于鈣離子的交聯作用使水凝膠固化成型。這種方法打印的水凝膠結構穩定，很少變形。以明膠/海藻酸/纖維蛋白為打印材料混合海拉細胞共混打印，用氯化鈣及凝血酶處理使水凝膠結構交聯固化，打印后細胞活性可保持90％以上。但離子交聯的海藻酸鈣水凝膠結構不穩定，多次更換培養液時，鈣離子的流失會引起凝膠結構的塌陷，難以滿足長時間培養的需求。同時海藻酸溶液粘度較大，對打印的精度也有一定的影響。這些因素使得海藻酸鈣凝膠在體內修復受損組織的應用中受到諸多限制。

通過在聚乙二醇、透明質酸、明膠等具有良好生物相容性的材料上引入雙鍵，打印過程中加入少量引發劑通過逐層紫外光照射來固化凝膠結構是另一種常見的生物打印方法，這類光輔助固化打印在生物打印中也獲得了較多的研究關注。通過在明膠分子鏈上修飾雙鍵同時共混可促進干細胞分化的功能化膠原微纖維，以此為預凝膠溶液共混間充質干細胞后，紫外光照輔助打印，打印后混合體中干細胞活性可達90％以上，同時發現干細胞在三維環境中的分化效率優于骨誘導培養液中的間充質干細胞，是一種理想的打印材料([1]BIOMATERIALS 2014,35,49.[2]BIOFABRICATION 2014,6,24105)。但這類凝膠在交聯過程中紫外光的照射及自由基的產生會對細胞的活性造成一定的影響，打印的精度也會受到交聯速率的影響。

發明內容