一种功能化纳米纤维素水凝胶及其制备方法与流程

文档序号：16586962发布日期：2019-01-14 18:32阅读：610来源：国知局

本发明属于生物材料领域，涉及一种功能化纳米纤维素水凝胶及其制备方法。

背景技术：

3d生物打印技术是使用计算机辅助转移过程，用预定的逐层堆叠方式同时书写活细胞和生物材料制备生物工程组织的方法。3d生物打印技术以水分散液和细胞为主要原料，产物主要形态为水凝胶，对水凝胶有诸多的要求，如生物相容性好，且不堵塞针头，易于打印，同时打印过程中的剪切作用力对细胞的损害小，因而能用于3d生物打印的水凝胶并不多。

纤维素作为一种具有结晶结构的多糖，是地球上含量最丰富的天然高分子，由纤维素加工得到的纤维素水凝胶因具有生物相容性好、比表面积较大、含水量高、力学性能优异等特点，是一种理想的组织工程材料。当前制备纤维素水凝胶的方法主要有化学交联、光交联、物理缠结等。这些方法要么需要引入具有生物毒性的化学交联剂，要么需要对纤维素进行改性，要么条件比较苛刻(如加热或冷冻)，不利于直接与细胞进行混合，且通常所制备的水凝胶具有纳米孔结构，细胞只能在凝胶表面生长，在凝胶内部细胞不能生长迁移。因此本领域相关学者正在寻求一种交联方式温和、容易加载细胞、且具有大孔结构的纤维素水凝胶的制备方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种孔径大小适中、力学性能优异、生物相容性良好的功能化纳米纤维素水凝胶及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种功能化纳米纤维素水凝胶，水凝胶内部呈现均匀的多孔网状结构，其孔径为30～100微米，所述功能化纳米纤维素水凝胶由tempo氧化纤维素分散于水中制得纳米纤维素分散液，再与细胞混合制得生物墨水，然后利用3d生物打印技术打印到离子交联剂中制备得到设计形状的凝胶。

按上述方案，所述功能化纳米纤维素水凝胶由tempo氧化纤维素分散于水中制得纳米纤维素分散液，再与细胞混合制得生物墨水，然后利用3d生物打印技术打印到离子交联剂中制备得到设计形状的凝胶，最后将凝胶置于含培养基的培养皿中进行细胞培养得到。

按上述方案，水凝胶在细胞培养前需进行灭菌处理，灭菌条件为：在121℃的灭菌锅中加热30分钟。

按上述方案，所述tempo氧化纤维素直径为2～10nm，平均长度为200nm～5μm，表面羧基含量为0.2～2.0mmol/g。

按上述方案，所述tempo氧化纤维素的制备方法为：将tempo与nabr按质量比1：1～10加入水中混合溶解，然后加入天然纤维素和naclo，并调节体系ph值为8～12，进行氧化反应后加入naclo2氧化1～5天或加入硼氢化钠(nabh4)还原0.5～10h，再后处理得到tempo氧化纤维素(toc)。

按上述方案，所述天然纤维素为长度为1μm～10mm的棉短绒、木浆、亚麻纤维、秸秆纤维。

按上述方案，tempo在水中的质量浓度为0.01～0.1％。

按上述方案，加入天然纤维素和naclo，其质量比tempo：天然纤维素：naclo＝1：10～100：10～100。

优选的是，所述氧化反应条件为：在10～30℃下反应0.5～7h。

按上述方案，质量比tempo：naclo2＝1：10～100。

按上述方案，质量比tempo：nabh4＝1：10～100。

按上述方案，所述后处理包括洗涤、过滤、干燥处理。

优选的是，所述纳米纤维素分散液浓度为0.1～1.2wt％。

优选的是，所述生物墨水中细胞浓度10⁴～10⁸个/毫升。

优选的是，所述细胞为干细胞、成纤维细胞、血管内皮细胞、肝细胞中的一种或几种。

按上述方案，所述离子交联剂为m²⁺cl2或m³⁺cl3的水溶液，其中m²⁺选自mg²⁺、ca²⁺、zn²⁺中的一种，m³⁺选自al³⁺或fe³⁺；离子交联剂浓度为0.1～2mol/l。本发明使用m²⁺cl2或m³⁺cl3作为离子交联剂，具有无毒、温和、快速、对细胞损伤小等优点，制备出的水凝胶细胞相容性好。

本发明还提供上述功能化纳米纤维素水凝胶的制备方法，其步骤如下：将tempo氧化纤维素分散于水中得到纳米纤维素分散液(tocn)，再将纳米纤维素分散液与细胞混合制得生物墨水，然后利用3d生物打印技术打印到离子交联剂中制备得到设计形状的凝胶。

本发明还提供上述功能化纳米纤维素水凝胶的制备方法，其步骤如下：将tempo氧化纤维素分散于水中得到纳米纤维素分散液(tocn)，再将纳米纤维素分散液与细胞混合制得生物墨水，然后利用3d生物打印技术打印到离子交联剂中制备得到设计形状的凝胶，最后将凝胶置于含培养基的培养皿中进行细胞培养得到功能化纳米纤维素水凝胶。

按上述方案，所述将tempo氧化纤维素分散于水中得到纳米纤维素分散液的分散方式为机械搅拌、超声处理、高速研磨、高压均相或高速水击。

按上述方案，所述3d生物打印技术包括采用喷墨式打印机、挤出式打印机或激光打印机进行打印，打印温度为20～40℃。

本发明还包括根据上述功能化纳米纤维素水凝胶制备得到的纳米纤维素基组织工程材料，具体为骨、软骨、皮肤、血管、肝脏、心脏等组织中的一种。

本发明将tempo氧化纤维素分散于水中得到的纳米纤维素分散液与细胞混合制得生物墨水，然后利用3d生物打印技术打印到离子交联剂中制备得到设计形状的凝胶，该纳米纤维素表面含有大量的羧基，由于羧基之间的静电斥力作用使其均匀分散于水中，并且可与mg²⁺、ca²⁺等细胞毒性很弱的阳离子形成离子键，在室温下即可快速交联形成凝胶，且所制备的凝胶具有多孔的三维网状结构(具有100微米左右的大孔)，含水量高，比表面积大，且无毒、生物相容性好，类似于细胞外基质，有利于细胞(20微米)的生长迁移，因此可用于细胞的三维培养。

本发明的有益效果在于：1、本发明以可再生资源纤维素为原料，制备得到力学性能优异、生物相容性良好、适用于生物打印的功能化纳米纤维素水凝胶(水凝胶内部呈现均匀的多孔网状结构，其孔径大约为30-100微米左右，其能承受湿重100倍以上的压力)，用作纳米纤维素基组织工程材料，具体为骨、软骨、皮肤、血管、肝脏、心脏等组织中的一种，拓宽了纤维素的应用范围，为纤维素在生物医用领域的应用研究提供了一种新途径；2、本发明基于纤维素纳米纤维分散液细胞相容性好、具有剪切变稀的特点、且在离子溶液中具有快速交联的能力，以纳米纤维素分散液与细胞等作为生物墨水，采用新型的3d生物打印技术，在离子交联剂中打印出对细胞损害较小、有利于细胞活性保持的水凝胶，且水凝胶的形状可根据需要进行形状设计，方法简便灵活，在组织工程领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1所制备的凝胶的扫描电镜图；

图2为实施例1所制备的凝胶的荧光显微镜图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

一种用于3d生物打印的功能化纳米纤维素水凝胶，制备方法如下：

1)将0.01gtempo和0.1gnabr加入100ml去离子水中，在10℃、300r/min下磁力搅拌10min使tempo和nabr完全溶解，再向上述体系中加入1g的棉短绒(长度2～3mm)和1gnaclo，通过滴加0.1mol/l的naoh溶液调节体系ph值为8，在10℃下反应3h后，继续加入1gnaclo2室温搅拌反应1天，将氧化后的纤维素浆进行过滤，再用去离子水洗涤3次以上，干燥得到tempo氧化纤维素(toc)，通过加入naclo2进行追酸化把未完全氧化的醛基氧化成羧酸根，有利于纳米纤维更好的分散；