[发明专利]用于3D生物打印的含纳米纤维素的生物墨水、其制造和使用方法、以及由此获得的3D生物结构

说明书

本发明的一些变体提供一种用于3D生物打印的生物墨水组合物，所述生物墨水组合物包含：呈纳米纤维素晶体、纳米纤维素原纤维、或优选其组合的形式的纳米纤维素；在离子交联剂存在下可离子交联的海藻酸盐；以及水。纳米纤维素‑海藻酸盐生物墨水具有对于基于挤出的生物打印有利的流变、膨胀、和生物相容性特性。通过实验证明了具有人体鼻中隔软骨细胞的纳米纤维素‑海藻酸盐生物墨水使高分辨率的软骨生物打印成为可能。所披露的纳米纤维素已被证明是与细胞存活和增殖相容的；具有模拟促进分化和组织形成的天然细胞外环境的纳米尺度和微米尺度构造；并且具有理想的流变特性以允许挤出3D生物打印。具有晶体和原纤维纳米纤维素的独特共混物的生物墨水在培养中产生非常稳定的结构体积。

优先权数据

本国际专利申请要求于2018年3月7日提交的美国临时专利申请号62/639,538的优先权，将所述专利申请特此通过援引并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及3D生物打印、用于3D生物打印的生物墨水组合物、生物墨水组合物的制造和使用方法、以及由3D生物打印生产的3D生物结构。

背景技术

三维(3D)打印，或增材制造是一种工艺，通过该工艺使用专用打印机将物体以其三维形式创建出来。在3D建模程序的帮助下，打印机接收来自计算机中创建的设计文件的指令。然后将待打印的物体的文件或数据蓝图切分成被送到打印机的二维(2D)表示。根据文件中含有的信息建立材料的多个层；这些层持续增加，直到打印出完整的物体。与2D打印相比，3D打印的工艺需要更长的时间，并且涉及大量的资本投资，但是提供了广泛的优势，如原则上打印出任何几何结构的能力。

现在在工业和学术界对使用3D打印技术构建组织和器官存在强烈的兴趣。使用3D打印技术打印活细胞、组织、器官和生物相容的支架的工艺被称作“3D生物打印”。生物打印人体组织和器官需要生物墨水，该生物墨水包括生物材料，如琼脂糖、海藻酸盐、壳聚糖、胶原蛋白、细胞外基质(ECM)、明胶、纤维蛋白、和透明质酸。

生物材料的3D打印提供了许多优势。这些应用主要是在药物检测、组织工程、和器官移植的领域，但其他生物应用可能会在未来出现。

因为3D生物打印涉及功能性活生物材料，所以3D生物打印比聚合物或金属的常规3D打印复杂得多。由于活细胞和组织的不同敏感性所形成的挑战，所使用的材料、细胞类型、以及生长和分化因子的适当选择通常决定生物打印的组织的结构完整性。

因为基于挤出和喷墨的技术改编自常规3D打印工艺，所以存在将这些体系与脆弱的生物材料一起使用有关的若干相容性和稳定性问题。使用上述技术开发的生物打印的产品在微观水平上缺少结构完整性。值得注意的是，在多个长度尺度上的细胞结构影响整个人造组织的功能性；这对于完全功能组织的产生是至关重要的。希望生物墨水同时复制天然组织微观构造和宏观构造，克服常规组织工程策略的可重复性和可缩放性问题。

关于3D生物打印的另一个常见观察结果是，构建的3D生物结构很大程度上是不稳定的，并且曾被报道随时间推移经历形状畸变。

在三种主要的3D生物打印技术：挤出、喷墨和激光辅助中，挤出是最通用、快速、可缩放且成本有效的，并且因此是现今的主要技术。挤出生物打印依赖于使用机械力(活塞或螺杆驱动)或气动力通过喷嘴挤出具有合适的机械特性(粘度、弹性、和剪切稀化)的生物墨水。基于挤出的生物打印(例如，生物绘制(bioplotting)或熔融沉积建模)涉及通过喷嘴或注射器分配粘性生物墨水。打印后，构建物可以逐层以物理方式或以化学方式固化(例如，凝胶化)。基于挤出的生物打印的主要缺点之一是其对于最佳材料粘度的依赖，当没有实现时，这可能导致泄漏并且影响最终的组织构建物的分辨率，这限制了生物结构(尤其具有突出部分的那些生物结构)的复杂性。合适的生物墨水必须还展现出在剪切和/或高温下的细胞活力、粘附、增殖和分化。而且，合适的生物墨水应该能够产生具有可接受的机械刚度的生物结构。