[发明专利]一种用于3D生物打印的胶原基生物墨水及其制备方法与应用

说明书

本发明属于生物材料技术领域，具体涉及一种用于3D生物打印的胶原基生物墨水及其制备方法与应用。该胶原基生物墨水具体制备方法为：通过将甲基丙烯酸酐加入到胶原的稀盐酸溶液中充分反应，得到甲基丙烯酰化的胶原；再将甲基丙烯酰化胶原依次加入乙酸、紫外光引发剂LAP水溶液和原花青素水溶液，充分混合、交联后得到胶原基生物墨水。该制备方法制备的胶原基生物墨水可在紫外光照射下，于30‑50秒内快速发生凝胶化，形成的水凝胶具有良好的机械性能和良好的生物相容性，该胶原基生物墨水可用于3D生物打印。

技术领域

本发明属于生物材料技术领域，具体涉及一种用于3D生物打印的胶原基生物墨水及其制备方法与应用。

背景技术

3D生物打印技术是在CAD、CAM等三维建模程序驱动下，以细胞、蛋白质和生物相容性材料为原材料，以逐层堆积的方式形成三维实体。近年来，3D生物打印技术迅速发展。3D生物打印技术的出现，为体外生物医学工程开辟了新的途径，可用于构建组织再生、体外生物模型、细胞诊断等。

生物墨水是3D生物打印的原材料，是一种适合通过自动化生物制造技术进行处理的细胞制剂。3D生物打印目前面临主要挑战是制备合适的生物墨水。3D打印应用的生物墨水需满足以下几点要求：(1)材料结构稳定，能够高效有效的交联，并在打印后保证结构的完整性和稳定性；(2)材料都必须在适当的时间从流体状态转变为固态状态；(3)足够的机械性能以支撑打印结构；(4)良好的生物相容性，能够支持细胞载入和维持细胞活性；(5)打印形状结构分辨率高，以更好的模仿拥有复杂结构的组织与器官。其中，生物墨水同时具有良好生物打印性和维持细胞活力是最大的挑战。

现研究最广泛的生物墨水是使用明胶或改性明胶为原料。明胶是胶原的水解产物，失去了胶原的三股螺旋结构，也失去了其生理活性。胶原是细胞外基质的主要成分，广泛存在于生物体中。胶原由3条多肽链彼此以超螺旋的形式缠绕而成，其基本结构单元——原胶原的一级结构具有(-Gly-X-Y-)_n的重复序列，X通常为脯氨酸或羟脯氨酸，Y为任意氨基酸。多种氨基酸组成的复杂序列使胶原具有天然的细胞结合位点，易于进行交联改性。作为生物材料，胶原具有良好的生物相容性和多种生物活性，能够促进细胞增殖、促进血小板聚集。基于这些特性，胶原已广泛应用于制造骨移植材料、伤口敷料、外科缝合线、药物载体、人工血管、心脏瓣膜、修复心肌组织等。

多项研究已证明了胶原用于3D生物打印的可行性。根据文献报道，温度的变化可以驱动胶原发生三螺旋结构的自组装(Osidak E O,Karalkin P A,Osidak MS,etal.Viscoll collagen solution as a novel bioink for direct 3D bioprinting[J].Journal of Materials Science:Materials in Medicine,2019,30(3):31)；以京尼平作为交联剂也能配制胶原基生物墨水(Kim Y B,Lee H,Kim G H.Strategy to achievehighly porous/biocompatible macroscale cell blocks,using a collagen/genipin-bioink and an optimal 3D printing process[J].ACS applied materialsinterfaces,2016,8(47):32230-32240)。

但是，温度、交联剂驱动的胶原凝胶化时间较长，3D打印后结构的分辨率低；纯胶原水凝胶机械性能较差，难以逐层堆积的方式形成3D结构(Osidak E O,Kozhukhov V I,Osidak M S,et al.Collagen as Bioink for Bioprinting:A Comprehensive Review[J].International Journal of Bioprinting,2020,6(3))；这限制了其在3D生物打印领域的应用。因此，胶原基生物墨水在保留胶原的生理活性和优异的生物相容性的同时，加快凝胶化时间，提高凝胶力学强度，是胶原基生物墨水的重要研究方向。

发明内容