[发明专利]重组胶原蛋白水凝胶3D打印墨水及其应用

说明书

本发明公开了一种重组胶原蛋白水凝胶3D打印墨水及其应用。本发明所述的重组胶原蛋白水凝胶3D打印墨水由以下成分组成：明胶10wt％～15wt％，RHC‑NHS 2wt％～8wt％，纳米甲壳素1wt％～3wt％，余量为水；RHC‑NHS为经EDC/NHS活化的重组胶原蛋白，重组胶原蛋白由保藏编号为CGMCC No.5021的巴斯德毕赤酵母Pichia pastoris发酵产生。本发明通过将明胶、RHC‑NHS和纳米甲壳素三组分共混，有效调控水凝胶的快速成型、结构固化、凝胶强度及生物活性等性质，不再单纯地依靠改变体系的粘度来调整凝胶的性质，有效地降低预凝胶溶液的粘度，提高打印精度，在3D打印高精度生物材料具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于3D打印生物材料技术领域，涉及一种重组胶原蛋白水凝胶3D打印墨水及其在3D打印生物材料中的应用。

背景技术

3D打印是一种以数字模型为基础，由计算机辅助设计(CAD)或断层扫描(CT)技术获得的数据，在计算机控制下，按照逐层叠加的原理，通过打印材料来构建出三维立体精细结构的技术。3D打印具有灵活、快速、精密等特点，已在航天、军工等行业中发挥重要作用。在医学领域中，3D打印的骨、牙齿等简单组织已经应用到临床中，但这些纯材料打印的支架材料只能起到支撑替代的作用而无法修复受损的组织器官。近年来，众多研究者探索将3D打印技术引入组织修复与再生医学领域，应用3D生物打印技术以细胞与材料共混打印来实现组织器官的体外个性化快速构建。但传统打印材料难以满足生物打印的严格要求，制约3D生物打印技术的发展。

水凝胶是交联的三维亲水聚合物网络，具有类似人体正常生理组织的性质，适宜作为支架材料用于组织修复，在组织工程、药物传递等生物医用材料领域已有广泛的应用。因此水凝胶也适用于生物打印，与细胞共打印来构建组织器官。在生物打印过程前，细胞、预凝胶材料、生物活性物质需要预先混合均匀，打印时则需要快速地固化成型，固化后的材料根据不同的组织需求要具有一定的力学强度。因此可用于生物打印的水凝胶材料除了具有细胞支架的一般特点外，还必须具有以下的性质：(1)具有良好生物相容性的同时，其凝胶化过程中所涉及的刺激因素或化学反应必须对细胞活性没有明显影响；(2)连续地打印过程要求材料的凝胶化要在几十秒内完成；(3)固化后的材料要具有一定的力学强度且可保持一定的细胞存活率。

能够满足材料细胞共混打印严苛的要求进行生物打印的水凝胶材料很少。基于钙离子交联的海藻酸钙水凝胶是一种被广泛研究的生物打印材料。海藻酸或混合明胶等其他水溶性高分子的海藻酸溶液与种子细胞共混打印后，用含钙离子的溶液处理，由于钙离子的交联作用使水凝胶固化成型。这种方法打印的水凝胶结构稳定，很少变形。以明胶/海藻酸/纤维蛋白为打印材料混合海拉细胞共混打印，用氯化钙及凝血酶处理使水凝胶结构交联固化，打印后细胞活性可保持90％以上。但离子交联的海藻酸钙水凝胶结构不稳定，多次更换培养液时，钙离子的流失会引起凝胶结构的塌陷，难以满足长时间培养的需求。同时海藻酸溶液粘度较大，对打印的精度也有一定的影响。这些因素使得海藻酸钙凝胶在体内修复受损组织的应用中受到诸多限制。

通过在聚乙二醇、透明质酸、明胶等具有良好生物相容性的材料上引入双键，打印过程中加入少量引发剂通过逐层紫外光照射来固化凝胶结构是另一种常见的生物打印方法，这类光辅助固化打印在生物打印中也获得了较多的研究关注。通过在明胶分子链上修饰双键同时共混可促进干细胞分化的功能化胶原微纤维，以此为预凝胶溶液共混间充质干细胞后，紫外光照辅助打印，打印后混合体中干细胞活性可达90％以上，同时发现干细胞在三维环境中的分化效率优于骨诱导培养液中的间充质干细胞，是一种理想的打印材料([1]BIOMATERIALS 2014,35,49.[2]BIOFABRICATION 2014,6,24105)。但这类凝胶在交联过程中紫外光的照射及自由基的产生会对细胞的活性造成一定的影响，打印的精度也会受到交联速率的影响。

发明内容