[发明专利]医用水凝胶组合物，医用水凝胶及其制备方法

说明书

本发明提供医用水凝胶组合物，医用水凝胶及其制备方法。医用水凝胶组合物包括第一组分和第二组分，其中，所述第一组分包括修饰有醛基的透明质酸或其衍生物和含有氨基的天然物质；所述第二组分包括水溶性壳聚糖或其衍生物和修饰有功能化基团的聚乙二醇，所述功能化基团包括甲氧基、琥珀酰亚胺基、马来酰亚胺基、琥珀酰亚胺酯基、琥珀酰亚胺戊二酸酯基中的至少一种。本发明的医用水凝胶组合物的生物相容性好，可以与细胞良好复合，降解产物安全无毒，不存在过敏反应或者毒性反应的潜在危险。

技术领域

本发明涉及一种医用水凝胶组合物，医用水凝胶及其制备方法，特别涉及一种水凝胶生物墨水及其制备方法，更具体地，本发明涉及一种分时策略的自支撑、自修复水凝胶生物墨水及其制备方法，属于生物医用材料领域。

背景技术

生物3D打印可以在体外模拟活体组织、器官及其功能单元，通过方便和有效地整合特定细胞和生物材料，用于各种临床模拟研究。在最常见、最廉价的微挤压打印中，已有大量的水凝胶生物墨水被报道具有无毒、生物相容性、形状保持和微结构保存等优点。然而，目前大部分生物墨水采取了溶胶(打印前)-凝胶(打印后)相变的成型固化方式，溶胶相在固化的过程中，随着打印时间和固化时间的延长，会导致细胞沉淀，使构建的类组织体中细胞的分布不均匀。此外，在打印过程中需要额外的辅助相变手段(低温、辅助交联或牺牲材料)来稳定结构。

由于上述问题的存在，剪切变稀和/或自愈合凝胶相生物墨水成为首选墨水。这是因为这种墨水在打印时易于保持预设形状，同时确保可接受的细胞分散度。剪切变稀和/或自愈合凝胶相生物墨水主要基于动态交联，如纳米化卡拉胶(nanoengineered kappa-carrageenan)、蛋白化海藻酸(protein-engineered alginate)、和羟基-环糊精/金刚石功能化的透明质酸(HA)。然而，由于这些凝胶相的生物墨水过于稀软而无法保持自身形状，上述水凝胶生物墨水体系的形状维持离不开温度控制或其他辅助手段，但温度控制不当和辅助交联在打印过程中是不利于细胞生存和形状保留的。虽然有一些自支撑水凝胶生物墨水的报道克服了上述困境，但原料和水凝胶的制备非常耗时，打印效果有待提高。因此，开发一种即用的、自支撑的水凝胶生物墨水具有重要的价值。

用于微挤压3D生物打印的、基于席夫碱交联的可注射水凝胶的强度通常可以横跨3个量级，这对于自支撑水凝胶来说是足够的。然而，由于席夫碱键在水溶液中容易水解，大多数应用时需将此类水凝胶制成大块状来延缓水解速率。此外，在主要使用这种水凝胶的3D生物打印中，如何平衡其自愈行为以避免微观结构融合也是一个挑战。

功能化的聚乙二醇(PEG)可以与常用蛋白质基材料的氨基通过水稳定共价键反应形成水凝胶，弥补了席夫碱水凝胶的过融合现象。单就该水凝胶而言，由于在稳定共价键中缺乏自愈合能力，必须采用轻交联，这就造成该水凝胶通常需要几个小时才能达到打印所要求的交联度，极大地降低了打印效率，同时难以控制交联程度和打印速率之间的平衡。

引用文献1公开了一种高拉伸、自修复和高粘合的生物相容性水凝胶材料。这类材料基于双网络结构的设计原理，由可聚合聚乙二醇基高分子构成第一重共价交联网络，超高分子量的亲水性高分子通过缠结而形成第二重非共价交联网络。第一重网络的网格尺寸需大于构成第二重网络高分子的分子有效尺寸，且构成第二重网络的高分子的分子量应大于其临界缠结分子量，使其形成有效的分子缠结，赋予双网络水凝胶高拉伸性、自修复特性和高粘合性。如上所述，由于在稳定共价键中缺乏自愈合能力，这种水凝胶材料在打印或挤出时受剪切力作用，第二重网络易从第一重网络中挤出，无法恢复；受外力作用发生分子链断裂也会引起形变。同时该体系必须采用轻交联，这就造成该水凝胶通常需要几个小时才能达到打印所要求的交联度，极大地降低了打印效率，同时难以控制交联程度和打印速率之间的平衡。