[发明专利]一种3D打印高强度生物墨水材料

说明书

本发明公开一种3D打印高强度生物墨水材料。本发明双交联网络结构，利用形成β折叠结构的丝蛋白和离子交联的海藻酸构建而成，同时利用明胶的温敏快速成胶性能，实现很好地成型效果。本发明生物墨水的力学强度可控，显著提高水凝胶强度。针对不同组织应用特性，通过不同材料配比即可制备出一系列不同强度的生物墨水，3D打印可为病人定制化设计，更适合临床上的应用。

技术领域

本发明属于生物医用高分子材料技术领域，特别涉及一种用于3D打印生物支架、组织和器官的生物墨水。

背景技术

生物3D打印是基于3D打印生物材料(生物因子、细胞和生物相容材料)的过程。其中打印材料常称为生物墨水，一种基于细胞相容的水凝胶。

现有的生物墨水根据来源可以分为合成类水凝胶和天然类水凝胶：(1)合成类水凝胶如聚丙烯酰胺(PAAM)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)、普兰尼克等作为打印墨水时成型效果好，但生物相容性需要进一步化学修饰改善，因此安全性尚谨慎考虑；(2)天然类水凝胶如胶原蛋白、纤维蛋白、蚕丝蛋白、明胶、琼脂糖、海藻酸钠等具有良好的生物相容性以及类似细胞外基质的凝胶结构和功能，在生物打印领域广泛应用。现有常用的生物墨水材料体系，大多为单一水凝胶体系或合成类水凝胶、天然类水凝胶其中的二元复合体系，存在机械强度不足，无法适应组织实际应用的情况。

目前硬组织打印技术渐为成熟，但软组织如血管、皮肤仍需要进一步完善。软组织在体内受到内外力作用，需要较好的拉伸和压缩性能，相应需要可以用于3D打印高强度生物墨水。尽管最近有高强度水凝胶研究报道，但制备这些水凝胶通常存在有毒的化学试剂(如专利CN 106146865A，通过对细胞有毒的有机试剂使水凝胶形成交联网络)或反应过程苛刻(如专利CN 104628936A，通过紫外光长时间交联，对于细胞损伤会很大；如专利CN105601950A，材料制备条件需要温度高达95℃)，限制了它们包裹细胞进行打印。

发明内容

本发明的目的是针对现有生物打印墨水的强度不足，提供一种3D打印高强度生物墨水材料,提供具有可调良好力学性能并能负载细胞，以解决的软组织仿生打印问题。本发明生物墨水复合不同亲水性生物材料和细胞因子，可以支持不同组织细胞的增殖与分化。

本发明3D打印高强度生物墨水材料为多元材料体系，主要利用形成β折叠结构的丝蛋白和离子交联的海藻酸构建而成双交联网络结构，同时利用明胶的温敏快速成胶性能，实现很好地成型效果。在这三元材料体系基础上，复合其他亲水性生物材料、细胞因子及生物细胞，进一步提升生物墨水的生物性能及功能。

其中丝蛋白(又称蚕丝蛋白)作为一种纯天然高分子材料，因其良好的力学性能、生物相容性和可降解性，在组织工程领域极具应用前景。丝蛋白可由蚕茧或蚕丝脱胶制备出再生蚕丝蛋白溶液而得，其中丝蛋白占蚕茧的70-75wt％。丝蛋白溶液，大多以无规线团构象存在，在一定的外界条件(如升温、降低pH值、电场、加入金属离子、超声、涡旋或添加水溶性有机物等)均可诱导和促进蚕丝蛋白构象由无规线团向β折叠转变。通过β折叠结构这一物理交联方式形成蚕丝蛋白水凝胶，可应用于再生医学领域。

其中海藻酸源自海藻和细菌，是一种无毒性、成胶条件温和的天然多糖。线性海藻酸结构，由β-D-甘露糖醛酸(M单体)和α-L-古洛糖醛酸(G单体)依靠β-1,4-糖苷键形成的交替共聚物或嵌段共聚物。可以通过二价阳离子(Zn2+，Ni2+，Co2+，Ca2+，Ba2+，Sr2+等)快速螯合M单体和G单体上的羧基基团，形成交联网络结构，应用于细胞包裹及组织工程。