[发明专利]一种3D打印应变传感组织工程支架及其制备方法

说明书

本发明涉及一种3D打印应变传感组织工程支架及其制备方法，制备方法为：先将含丝素蛋白、丙烯酰胺、氧化细菌纤维素纳米纤维和水的分散液进行3D打印制得支架，在此过程中引发丝素蛋白发生交联反应，同时引发丙烯酰胺发生交联反应，再对支架进行后处理即得产品；分散液中，丝素蛋白与丙烯酰胺的质量比为1:15～18，氧化细菌纤维素纳米纤维的含量为1～2.5wt％；产品：包括双网络结构水凝胶及分散在双网络结构水凝胶中的氧化细菌纤维素纳米纤维；双网络结构水凝胶由丝素蛋白水凝胶网络和聚丙烯酰胺交联网络相互缠绕构成；本发明的方法简单，本发明的产品兼具较好的力学性能、应变传感性能和生物相容性。

技术领域

本发明属于生物材料技术领域，涉及一种3D打印应变传感组织工程支架及其制备方法。

背景技术

机体内由各种原因所致的缺损若用生物材料进行重建和修复，则能够克服组织供体有限，避免异体组织移植带来的免疫排斥、感染等问题。如果用于组织修复和重建的支架能够具有与缺损组织部位十分接近的结构与力学性能，则有望实现对不同组织部位的个性化修复。另外，由于人体各组织部位受到不同幅度和频率运动的影响，机体内对应部位的细胞和组织同样会感受到相应差异化的力学刺激，通常来讲，受到相关力学刺激后机体内组织的应变范围在0.1-100％之间。而一些受力明显组织(如骨组织、软骨组织、膝关节韧带、骨骼肌)的拉伸强度通常为0.8-25MPa(Journal of Bone and Joint Surgery,1980,62(7):1102-1117)，压缩强度为3-25MPa(Annals of Biomedical Engineering,2004,32:2-17)。但目前用于所述受力组织修复和重建的生物支架材料不能同时满足相应组织应变传感和力学性能的要求，并且传统的冷冻干燥、静电纺丝等方法所制备的支架材料存在结构功能较为单一的缺点。

3D打印作为一种新型的加工成型方式，具有可精确成型复杂结构、便于个性化定制和批量生产等优点，该技术能够根据患者的不同需求，快速精确地制备出个性化组织工程支架，进而较好地满足不同部位、不同缺损形状对组织工程支架外观形貌的需求。然而，现有的组织工程支架(包括3D打印支架)在实现组织修复功能的同时大都不能兼具在位微环境信号监测功能，例如无法获取在位关键力学刺激信号以用于指导后续修复材料或修复策略的优化。而兼具智能传感功能的组织修复支架材料的发展为组织微环境信号的在位监测提供了可能。

相对来讲，水凝胶材料具有较好的仿细胞外基质结构、且易于变形恢复、有望适用于促组织修复的同时进行体内应变等微环境信号的在位监测。然而，大部分水凝胶材料难以顺利通过3D打印技术制备力学性能较好的3D打印支架。例如人工合成的聚丙烯酰胺水凝胶具有较好的应变传感性能，但其无法进行3D打印。文献1(ACS Appl Mater Interfaces,2018,10(13):11204-12.)和文献2(多重交联海藻酸钠/聚丙烯酰胺高强度水凝胶的研究[D].西南交通大学,2018.)利用聚丙烯酰胺和海藻酸钠制备了聚丙烯酰胺/海藻酸钠双交联水凝胶，该水凝胶具有良好的应变传感性。然而，这类水凝胶由于质软、强度低(拉伸强度为0.4-0.5MPa，压缩强度为2MPa左右)，难以充当机体受力组织的修复材料。而且其预凝胶浆料粘度也较低，因而仅能通过纺丝对其成型，同样难以开展保真度较高的3D打印成型。

截至目前，国内外还未见相关研究方案制备出同时兼具较好力学性能、可打印性、应变传感性和生物相容性的组织工程支架材料，因此，开发一种3D打印应变传感组织工程支架及其制备方法，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种3D打印应变传感组织工程支架及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种3D打印应变传感组织工程支架，包括双网络结构水凝胶及分散在双网络结构水凝胶中的填料；

所述双网络结构水凝胶由丝素蛋白水凝胶网络和聚丙烯酰胺交联网络相互缠绕构成；