一种紫外光3d打印用海藻酸水凝胶基质的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种水凝胶基质的制备方法，特别是一种紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质制备方法，属于生物材料制备技术领域。本发明是通过在冷冻干燥法制得的海藻酸钠分子链上接枝烯基基团，经溶解、混合制备得到紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质。本发明的制备方法采用混合溶剂环境下的冷冻干燥工艺，大大提高海藻酸钠的接枝率，完全克服因接枝率低下引起的紫外固化速度慢的问题。本发明制备得到的紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质，在紫外光的照射下迅速凝胶保持形态，并且在低浓度金属卤化物的存在下，体系能进一步后固化，提高其水凝胶强度，完全克服现有3D打印水凝胶的塑性难、塌缩的问题。本发明制备方法简单、成本低，易工业化生产。
【专利说明】
一种紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种水凝胶基质的制备方法，特别是一种紫外光3D打印用海藻酸水凝 胶基质制备方法，属于生物材料的制备技术领域。
【背景技术】
[0002] 水凝胶是一种能够在水中溶胀、吸收并保持大量水分而又不溶解于水的亲水性网 状高分子溶胀体。因其高的含水量、结构类似于细胞外基质的特点，适合细胞的黏附、生长 和增殖，成为在3D组织打印和人工器官制备方面的首选基质之一，也因此成为化学、材料和 生命医学领域研究的热点。
[0003] 3D打印海藻酸水凝胶，一般是采用海藻酸钠溶胶混合CaCl2溶液进行喷射，通过层 层叠加的方法打印制备得到。然而，这种方法仅仅是通过初步物理交联来制备水凝胶，这种 全离子交联的水凝胶往往脆性较大，在后续使用过程中结构容易破坏，并且当其接触人体 组织液时，会发生Ca 2+-Na+离子交换而溶解，结构无法保持。中国专利公开号CN104628936A， 【公开日】为2015年5月20日，发明名称为"一种利用3D打印制备高强度双网络水凝胶支架的方 法"公开了 3D打印海藻酸水凝胶的制备方法，该方法采用将海藻酸钠、N，N-二甲基丙烯酰胺 单体预混，先后采用打印-光照-浸泡的步骤进行二次交联，得到双网络水凝胶。这种方法虽 然提高了 3D打印海藻酸水凝胶的强度，但是，由于第一次化学交联时间过长，打印出来的溶 胶塑形困难、尺寸难以保持，容易发生坍塌。此外，操作繁琐，大大降低3D打印的效率。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，本发明的目的在于提供一种凝胶成型迅速、凝胶强度高的紫外光 3D打印用海藻酸水凝胶基质的制备方法。
[0005] 为了实现上述目的，其技术方案如下。
[0006] 一种紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质的制备方法，所述制备方法按以下步骤进 行：
[0007] a.糊化海藻酸钠的制备
[0008] 将海藻酸钠和非质子溶剂置于去离子水中，海藻酸钠与去离子水质量体积比为1: 10~200,非质子溶剂与去离子水体积比为1:10~50,室温下搅拌1~24小时，将海藻酸钠、 非质子溶剂、去离子水形成的混合溶液在温度为-10~-40°C、压强为10~lOOPa条件下，干 燥18~72小时，得到糊化海藻酸钠。
[0009] b.马来酸酐接枝海藻酸钠的制备
[0010] 将步骤a得到的糊化海藻酸钠和马来酸酐置于非质子溶剂中，糊化海藻酸钠与非 质子溶剂质量体积比为1:10~200,糊化海藻酸钠分子链上羟基与马来酸酐的酸酐基摩尔 比为1:0.1~10，室温下搅拌均匀，在25~90 °C条件下反应，反应时间为12~48小时，反应结 束后，在糊化海藻酸钠、马来酸酐、非质子溶剂形成的混合溶液中加入无水丙酮至混合溶液 无沉淀析出为止，收集沉淀物，沉淀物在室温下真空干燥2天，得到摩尔取代度为0.05~0.8 的马来酸酐接枝海藻酸钠。
[0011] c.紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质的制备
[0012] 将步骤b得到的马来酸酐接枝海藻酸钠，与金属卤化物、光引发剂、磷酸盐缓冲溶 液按照质量百分比分别为： 马来酸酐接枝海藻酸钠 1~10% 金属卤化物 0.0卜-?.05%
[0013] 光乂丨发剂 0.05~0.1 % 磷酸盐缓冲溶液 89.85~98,94% 的比例，室温下混合均匀，得到粘度为10000~lOOOOOcps的紫外光3D打印用海藻酸水 凝胶基质。
[0014] 所述非质子溶剂为二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺或二甲基亚砜中的一种。
[0015] 所述金属卤化物为氯化钙或氯化锌或氯化铜或氯化铝中的一种。
[0016] 所述光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-对羟乙基醚基苯基丙酮或1-羟基环己基苯基 甲酮或2,2_二甲氧基-苯基苯乙酮中的一种。
[0017] 所述磷酸盐缓冲溶液为pH为7.0~7.4的Na2HP〇4-NaH2P〇4缓冲溶液或K 2HP〇4-KH2P〇4 缓冲溶液中的一种。
[0018] 由于采用以上技术方案，本发明的紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质的制备方法 其有益技术效果是：
[0019] (1)本发明的制备方法中采用混合溶剂环境下的冷冻干燥工艺，大大破坏海藻酸 钠的晶型结构，使得海藻酸钠的接枝率大大提高，完全克服因接枝率低下引起的紫外固化 速度缓慢的问题。
[0020] (2)本发明的制备方法中采用紫外光固化和静置交联技术相结合，充分发挥化学 交联和离子交联的协同效应，形成双交联的三维网络结构，赋予打印得到的海藻酸水凝胶 良好的湿态强度和韧性。
[0021] (3)本发明的制备方法中采用的是生物相容性好的天然高分子，使得制得的水凝 胶基质细胞相容性好，同时对细胞生长提供足够的支撑环境，有利于细胞的黏附、生长与增 殖。本发明制备方法简单、成本低，易工业化生产。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合具体实施例对本发明紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质作进一步详细 描述。
[0023] 一种紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质的制备方法，所述制备方法按以下步骤进 行：
[0024] a.糊化海藻酸钠的制备
[0025]将海藻酸钠和非质子溶剂置于去离子水中，海藻酸钠与去离子水质量体积比为1: 10~200,非质子溶剂与去离子水体积比为1:10~50,室温下搅拌1~24小时，将海藻酸钠、 非质子溶剂、去离子水形成的混合溶液在温度为-10~-40°C、压强为10~100Pa条件下，干 燥18~72小时，得到糊化海藻酸钠。所述非质子溶剂为二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺或二 甲基亚砜中的一种。
[0026] 海藻酸钠是又名褐藻酸钠、海带胶、藻酸盐，是从海带、马尾藻等褐海藻中分离得 到的一种天然多糖，是由不同比例的β-L-甘露糖醛酸(M单元)和α-D-古罗糖醛酸(G单元)通 过1，4-糖苷键连接的线性共聚物，由不同的GG、匪、GM片段组成。海藻酸钠由于具有优越的 生物相容性和生物组织相似性，使其作为生物医用材料在创伤敷料、药物控制释放以及组 织工程支架等领域应用广泛。
[0027] 海藻酸钠分子链上具有自由羧基和羟基，可以按照分子设计用途进行各种接枝反 应，然而，由于其分子内和分子间存在强的氢键作用力，致使海藻酸钠分子链排列较为规 整，形成较高程度的结晶区，不利于反应试剂的进入，反应程度低下。因此，海藻酸钠在进行 反应的时候，尤其是海藻酸钠以固体的形式进行固-液体系反应时，要尽可能的破坏晶区， 使得反应试剂基团与海藻酸钠分子链上反应基团相互接触，从而提高反应几率。
[0028] 本发明中将海藻酸钠置于非质子溶剂与去离子水的混合溶剂中，搅拌至完全溶 解。混合溶剂中的去离子水是海藻酸钠的良溶剂，通过控制海藻酸钠、非质子溶剂与去离子 水的比例，可以保证海藻酸钠处于完全溶解的状态下，且海藻酸钠的分子链呈现伸展状态， 分子链上羟基基团完全被溶剂分子包围。整个溶液体系在温度为-10~-40°C、压强为10~ lOOPa条件下，冷冻干燥18~72小时，溶液体系中的去离子水分子完全升华离开，而非质子 溶剂由于高沸点、难挥发的特点，得以保留在海藻酸钠分子链之间，此时海藻酸钠分子链上 羟基基团被非质子溶剂包围，因而得到含有非质子溶剂的糊化海藻酸钠。
[0029] b.马来酸酐接枝海藻酸钠的制备
[0030]将步骤a得到的糊化海藻酸钠和马来酸酐置于非质子溶剂中，糊化海藻酸钠与非 质子溶剂质量体积比为1:10~200,糊化海藻酸钠分子链上羟基与马来酸酐的酸酐基摩尔 比为1:0.1~10，室温下搅拌均匀，在25~90 °C条件下反应，反应时间为12~48小时，反应结 束后，在糊化海藻酸钠、马来酸酐、非质子溶剂形成的混合溶液中加入无水丙酮至混合溶液 无沉淀析出为止，收集沉淀物，沉淀物在室温下真空干燥2天，得到摩尔取代度为0.05~0.8 的马来酸酐接枝海藻酸钠。所述非质子溶剂为二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺或二甲基亚砜 中的一种。
[0031]在非质子溶剂中，海藻酸钠与马来酸酐之间的反应属于固-液体系反应。经步骤a 处理过的海藻酸钠此时处于无定型态，分子链内、分子链间充斥着非质子溶剂，当马来酸酐 加入后，马来酸酐分子会在非质子溶剂的帮助下，迅速扩散至海藻酸钠的分子链上羟基基 团处，大大提高其碰撞几率，因而反应程度能大大提高。通过酰化反应，海藻酸钠分子链上 引入了光活性基团烯酰基，可以使得水溶性的马来酸酐接枝海藻酸钠在紫外光的照射下能 发生光交联反应，得到交联的凝胶。步骤b中，通过控制海藻酸钠的羟基与马来酸酐的酸酐 基的摩尔比以及反应条件，来实现海藻酸钠的羟基上定位取代，且实现马来酰化基团的取 代度在〇. 05~0.8范围内，保证马来酸酐接枝海藻酸钠具有高的双键含量，一方面保证下一 步在紫外光照下具有高的交联速率，能迅速凝胶，另外一方面保证下一步在紫外光照下具 有高的交联密度，形成的凝胶强度好。因此，选择合适的摩尔比为：1:0.1~10;选择合适的 反应条件为:温度25~90°C，反应时间12~48小时。这里的非质子溶剂是该酰化反应的促进 剂和良溶剂，可促进该反应的进行以及反应产物的溶解。
[0032] c.紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质的制备
[0033] 将步骤b得到的马来酸酐接枝海藻酸钠，与金属卤化物、光引发剂、磷酸盐缓冲溶 液按照质量百分比分别为： 马来酸酐接枝海藻酸钠 1~10% 金属卤化物 0.01~0.05%
[0034] 光引发剂 0.05~0.1% 磷酸盐缓冲溶液 89.85~98.94% 的比例，室温下混合均匀，得到粘度为10000~lOOOOOcps的紫外光3D打印用海藻酸水 凝胶基质。所述光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-对羟乙基醚基苯基丙酮或1-羟基环己基苯基 甲酮或2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮中的一种。所述磷酸盐缓冲溶液为pH为7.0~7.4的 Na2HP〇4_NaH2P〇4缓冲溶液或K2HP〇4-KH2P〇4缓冲溶液中的一种。
[0035] 3D生物组织打印对于细胞基质的基本要求是:速度快，最好达到秒级成型;条件温 和，过程完全在生理条件下完成，避免对细胞造成伤害;具备足够好的强度维持其形状、不 塌缩也不溶胀;生物相容性好等。本体系中，控制马来酰化基团的取代度在〇. 05~0.8范围 内，来保证马来酸酐接枝海藻酸钠具有高的双键含量，这样，聚合速率就会大为提高，在紫 外光照射十几秒甚至几秒就可聚合，成型速度快，同时，聚合过程中体积收缩率小，不塌缩。 整个聚合或交联过程条件温和，几乎无热量释放，过程中采用pH = 7.0~7.4缓冲溶液将体 系调到生理pH值，避免了对细胞造成刺激和伤害。
[0036] 体系中，由于金属卤化物的浓度极低，马来酸酐接枝海藻酸钠分子链上的羧基与 金属卤化物中金属离子之间反应速率低，不足以形成凝胶，在该体系经紫外光聚合形成凝 胶后的一段时间里，马来酸酐接枝海藻酸钠分子链上的羧基与金属离子之间逐渐发生离子 交联反应，进一步将凝胶基质固化，形成化学交联与离子交联双交联的三维网络结构，充分 发挥化学交联与物理交联的协同效应，保证整个水凝胶基质具有足够高的强度的同时，不 塌缩也不溶胀。整个体系中选用生物相容性好的高分子海藻酸钠，通过改性，能促进细胞的 黏附、生长与增殖;体系中选用的光引发剂，都是生物相容性较好的光引发剂，而且用量很 少，不会影响细胞的生长与增殖。整个水凝胶体系非常适合作为紫外光3D组织打印用的基 质。
[0037]本专利中制备的水凝胶基质，是粘度为10000~lOOOOOcps的溶液，溶液粘度过高， 流动性较差，通过喷头打印时，溶液容易堵塞喷头，影响打印效率;溶液粘度过低，流动性非 常高，打印时塑形困难。该水凝胶基质在波长为320-480nm、光强为5~20mW/cm 2紫外光下照 射5~15s，可迅速由液态形成凝胶态。 具体实施例
[0038] 实施例1
[0039] 称取海藻酸钠5g，加入到50mL去离子水中，加入50mL二甲基甲酰胺，室温下搅拌1 小时，将溶液置于-10°C、压强为10Pa的条件下，干燥18小时，得到糊化海藻酸钠。
[0040] 称取糊化海藻酸钠5g、马来酸酐0.5g，加入到50mL二甲基甲酰胺中，室温下搅拌均 匀，在25°C条件下反应12小时，反应结束后，加入无水丙酮至无沉淀析出为止，收集沉淀物， 室温下真空干燥2天，得到摩尔取代度为0.05的马来酸酐接枝海藻酸钠。
[0041 ]称取马来酸酐接枝海藻酸钠 lg、氯化钙0.01g、2-羟基-2-甲基-1-对羟乙基醚基苯 基丙酮0.05g，加入到98.94g pH为7.0的Na2HP〇4-NaH2P〇4缓冲溶液中，室温下混合均匀，得 到粘度为lOOOOcps的紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质。
[0042] 实施例2
[0043] 称取海藻酸钠5g，加入到1000mL去离子水中，加入250mL二甲基乙酰胺，室温下搅 拌24小时，将溶液置于-40°C、压强为100Pa的条件下，干燥72小时，得到糊化海藻酸钠。 [0044] 称取糊化海藻酸钠5g、马来酸酐50g，加入到1000mL二甲基乙酰胺中，室温下搅拌 均匀，在90°C条件下反应48小时，反应结束后，加入无水丙酮至无沉淀析出为止，收集沉淀 物，室温下真空干燥2天，得到摩尔取代度为0.8的马来酸酐接枝海藻酸钠。
[0045]称取马来酸酐接枝海藻酸钠10g、氯化锌0.05g、1-羟基环己基苯基甲酮0. lg，加入 到89 · 85g pH为7 · 4的K2HP〇4-KH2P〇4缓冲溶液中，室温下混合均匀，得到粘度为lOOOOOcps的 紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质。
[0046] 实施例3
[0047] 称取海藻酸钠5g，加入到500mL去离子水中，加入100mL二甲基亚砜，室温下搅拌10 小时，将溶液置于_20°C、压强为50Pa的条件下，干燥48小时，得到糊化海藻酸钠。
[0048] 称取糊化海藻酸钠5g、马来酸酐5g，加入到500mL二甲基亚砜中，室温下搅拌均匀， 在50°C条件下反应36小时，反应结束后，加入无水丙酮至无沉淀析出为止，收集沉淀物，室 温下真空干燥2天，得到摩尔取代度为0.3的马来酸酐接枝海藻酸钠。
[0049]称取马来酸酐接枝海藻酸钠5g、氯化铜0.02g、2，2-二甲氧基-苯基苯乙酮0.07g， 加入到94.91g pH为7.2的Na2HP〇4_NaH2P〇4缓冲溶液中，室温下混合均匀，得到粘度为 50000cps的紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质。
[0050] 实施例4
[0051 ] 称取海藻酸钠5g，加入到500mL去离子水中，加入100mL二甲基亚砜，室温下搅拌10 小时，将溶液置于_20°C、压强为50Pa的条件下，干燥48小时，得到糊化海藻酸钠。
[0052] 称取糊化海藻酸钠5g、马来酸酐5g，加入到500mL二甲基亚砜中，室温下搅拌均匀， 在50°C条件下反应36小时，反应结束后，加入无水丙酮至无沉淀析出为止，收集沉淀物，室 温下真空干燥2天，得到摩尔取代度为0.3的马来酸酐接枝海藻酸钠。
[0053]称取马来酸酐接枝海藻酸钠5g、氯化铝0.02g、2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮0.07g， 加入到94.91g pH为7.2的Na2HP〇4_NaH2P〇4缓冲溶液中，室温下混合均匀，得到粘度为 80000cps的紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质。
【主权项】
1. 一种紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质的制备方法，其特征在于，所述制备方法按 W下步骤进行： a. 糊化海藻酸钢的制备 将海藻酸钢和非质子溶剂置于去离子水中，海藻酸钢与去离子水质量体积比为1:10~ 200,非质子溶剂与去离子水体积比为1:10~50,室溫下揽拌1~24小时，将海藻酸钢、非质 子溶剂、去离子水形成的混合溶液在溫度为-10~-40°C、压强为10~lOOPa条件下，干燥18 ~72小时，得到糊化海藻酸钢； b. 马来酸酢接枝海藻酸钢的制备 将步骤a得到的糊化海藻酸钢和马来酸酢置于非质子溶剂中，糊化海藻酸钢与非质子 溶剂质量体积比为1:10~200,糊化海藻酸钢分子链上径基与马来酸酢的酸酢基摩尔比为 1:0.1~10,室溫下揽拌均匀，在25~90°C条件下反应，反应时间为12~48小时，反应结束 后，在糊化海藻酸钢、马来酸酢、非质子溶剂形成的混合溶液中加入无水丙酬至混合溶液无 沉淀析出为止，收集沉淀物，沉淀物在室溫下真空干燥2天，得到摩尔取代度为0.05~0.8的 马来酸酢接枝海藻酸钢； C.紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质的制备 将步骤b得到的马来酸酢接枝海藻酸钢，与金属面化物、光引发剂、憐酸盐缓冲溶液按 照质量百分比分别为： 马来酸酌接枝海藻酸销 1~10% 金属齿化物 0.01~0.05〇/〇 光引发剂 0.05~0.1% 憐酸盐缓冲溶液 89.85~98.94% 的比例，室溫下混合均匀，得到粘度为10000~lOOOOOcps的紫外光3D打印用海藻酸水 凝胶基质。2. 根据权利要求1所述的一种紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质的制备方法，其特征 在于:所述非质子溶剂为二甲基甲酯胺或二甲基乙酷胺或二甲基亚讽中的一种。3. 根据权利要求1所述的一种紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质的制备方法，其特征 在于:所述金属面化物为氯化巧或氯化锋或氯化铜或氯化侣中的一种。4. 根据权利要求1所述的一种紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质的制备方法，其特征 在于:所述光引发剂为2-径基-2-甲基-1-对径乙基酸基苯基丙酬或1-径基环己基苯基甲酬 或2,2-二甲氧基-苯基苯乙酬中的一种。5. 根据权利要求1所述的一种紫外光3D打印用海藻酸水凝胶基质的制备方法，其特征 在于:所述憐酸盐缓冲溶液为抑为7.0~7.4的化抽P化-Na此P化缓冲溶液或K2HP化-K出P化缓 冲溶液中的一种。
【文档编号】A61L27/52GK105936674SQ201610495218
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】周应山, 董齐, 张灿, 殷先泽, 杨红军, 柏自奎, 顾绍金, 陶咏真, 徐卫林
【申请人】武汉纺织大学