[发明专利]高综合性能光固化生物3D打印复合水凝胶及其制备方法和应用

说明书

本申请提供一种高综合性能光固化生物3D打印复合水凝胶及其制备方法和应用。所述高综合性能光固化生物3D打印复合水凝胶为以甲基丙烯酰化明胶、甲基丙烯酰化透明质酸、甲基丙烯酰化丝素蛋白为单体共价交联固化形成的聚合物凝胶，具有生物相容性高、成形性好、机械强度可调、快速凝胶化的优势，可用于制备脊髓支架，可在支架上接种神经细胞，或着进行载神经细胞打印，用于神经损伤的修复、神经药物的筛选等。本发明材料还可用于周围神经组织支架的打印，或者多孔复杂组织结构的打印。

技术领域

本申请涉及医用改性高分子水凝胶，具体涉及一种高综合性能光固化生物3D打印复合水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息旨在增加对本发明总体背景的理解，而该公开不应必然被视为承认或以任何形式暗示该信息已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

脊髓，脊髓位于椎管内，连接大脑跟周围的神经，属于神经系统，负责神经的传导，脊髓一旦受损会导致出现肢体的瘫痪，也可能出现感觉的丧失，另外还会出现其他的神经功能损伤。脊髓损伤(spinal cord injury，SCI)致残率高且恢复困难，是一种严重的临床疾病，尤其是原发损伤后一系列的继发反应使病情更为复杂。继发反应造成的损伤会从损伤发生的初始区域蔓延到其他地方，形成星形胶质细胞疤痕，阻碍轴突的再生，还会造成囊性腔的形成。因此，脊髓损伤一直是医学领域的难题。

随着科学技术的进步，生物3D打印技术为组织器官修复提供了全新的临床医学策略，在医学领域的应用实例如组织器官替代品构建、器官移植与再生、药物筛选模型及解剖学模型等。生物3D打印可实现复杂组织结构打印、载细胞打印、不同细胞数量和细胞密度的可控精确沉积、容易获得生物材料理化性能梯度，在组织器官修复中占有诸多优势。

能够包裹活细胞的水凝胶对生物3D打印尤为重要，水凝胶材料合适的理化性能是细胞黏附、迁移、增殖的前提。因此，水凝胶材料需具有良好的生物相容性，既能为细胞生长提供特定的微环境，又是细胞功能化行为诱导的基础；同时须具有良好的可打印性、与组织细胞再生速度相匹配的降解速率、适合细胞生长的溶胀率、良好的力学性能。目前，制备一种综合性能良好的水凝胶材料仍是生物3D打印的难点。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种高综合性能光固化生物3D打印复合水凝胶，具有生物相容性高、成形性好、机械强度可调、快速凝胶化的优势，可用于脊髓支架的打印。本发明3D打印的脊髓支架上可接种神经细胞，或者进行载神经细胞打印，用于神经损伤的修复、神经药物的筛选等。本发明复合水凝胶材料还可用于周围神经组织支架的打印，或者多孔复杂组织结构的打印。

具体地，本发明提供了下述的技术特征，以下技术特征的一个或多个的结合构成本发明的技术方案。

在本发明的第一方面，本发明提供了一种高综合性能光固化生物3D打印复合水凝胶，其为以甲基丙烯酰化明胶(GelMA)、甲基丙烯酰化透明质酸(HAMA)、甲基丙烯酰化丝素蛋白(SilMA)为单体共价交联固化形成的聚合物凝胶。

明胶，含有许多生物活性位点，特别是整合素结合序列RGD肽，既具有良好的生物可降解性又能调节细胞黏附。明胶为温敏性材料，通过物理交联机制形成水凝胶网络，但物理交联受外界环境影响较大，稳定性差。

透明质酸，由于其具有高分子量和大量吸收水分的能力，有助于维持组织的机械完整性、体内稳态、黏弹性和润滑性，是神经细胞质基质的重要组成成分。同时，它能与细胞表面特异性受体(如CD44)结合，起到调节细胞黏附、迁移、增殖和分化作用。基于透明质酸的生物材料不会引发过敏和炎症。但透明质酸生物3D打印成形性和机械强度相对较差。

丝素蛋白，是在蚕丝中抽取天然高分子纤维聚合物，含有18种氨基酸，丝素蛋白分子链上有细胞结合位点，与合成高分子材料相比具有良好的生物活性，利于神经组织细胞的黏附；另外，甲基丙烯酰化丝素蛋白，改性后可在水中快速溶解，且具有较快的凝胶化速度。因此，丝素蛋白已被用于生物医学领域。