专利名称：一种基于仿生过程的水凝胶快速成形工艺方法
技术领域：
本发明涉及一种基于仿生过程的水凝胶快速成形工艺方法，属于生物制造与仿生制造、制造科学与其它学科交叉技术领域。属于组织工程材料制造及快速成形技术领域。
背景技术：
快速成形技术是以CAD、数控、激光和新材料等多门技术为基础的综合技术，是由CAD模型直接驱动的快速制造复杂形状三维物理实体技术的总称。由于其特点，快速成形在很多领域得到广泛的应用，其中在医学领域，特别是组织工程的支架构造中发挥了十分重要的作用。组织工程的研究中，一个很重要的方面，就是组织工程支架的构造，它应当能够接收动物的细胞并引导它们的生长，最终生成三维的组织样品。一般方法无法形成满足组织工程要求的高度规则、完全通孔、形态与微结构复杂的支架，而快速成形技术则能制造出无论是宏观还是微观构造与缺损组织几乎完全相同的三维支架。在这方面，国内外都有许多应用前景十分看好的研究成果。
从已有的研究成果看，水凝胶支架的成形领域突破并不大，而水凝胶支架在软组织工程中具有重要的意义。水凝胶(如明胶、琼脂糖、纤维蛋白、溶胀胶原等)结构类似于细胞外基质，通常含有质量分数80％～99.5％的水分，具有足够的扩散速率，为包裹的细胞提供营养物质，而且大多属于生物可降解材料，具有良好的细胞相容性；另外，水凝胶材料支架在应用于药物缓释载体方面，也具有一定的前景。
现有的各种快速成形方法，普遍无法操作含水量如此之大的水凝胶材料；从已有的关于水凝胶支架成形的研究来看，这些制备方法的成形的精度不高，样品比较粗糙，机械强度和孔隙率也比较低。这一方面与水凝胶含水量高、力学性能较差有关，但其固化成形机理也起了关键的作用，基于热可逆或是离子诱发胶联，其固化成形效果都不甚理想。
中国发明专利(申请号00124985.1)公开了一种“无加热液化过程的挤压、喷射成形工艺方法”，材料在经过挤压、喷射后，通过溶剂挥发、水分蒸发、同点或不同点喷射固化剂、粘接剂固化和氢键结合等五种方法使液态的材料固化。此种方法无法操作包含大量游离的水分的水凝胶材料。
中国发明专利(申请号200410009787.4)公开了一种“一种细胞一材料单元的三维受控堆积成形方法”，初步实现了细胞/材料的混和堆积，成形结构中细胞具有一定活性，该方法的基体材料为明胶/海藻酸钠，固化机理为离子诱发胶联，虽能成形复杂的三维水凝胶结构，但样品的成形线宽在0.200mm以上，精度受一定限制，孔隙率也比较低；其次，由于材料本身的性质，从实验中看，该结构在模拟人体体液的细胞培养液环境中，会发生进一步的吸水溶胀，降解速度比较快，难于控制。
发明内容
本发明的目的在于解决水凝胶材料难以操作的问题，提供一种新的水凝胶快速成形工艺方法，实现具有空间复杂形状和孔隙结构的三维水凝胶结构的成形，该方法成形的水凝胶支架，有更好的力学和生物学性能，结构比较稳定，可以有效的调控其降解速度。该工艺方法构建的支架适合于组织工程样品的成形，或药物缓释载体的开发等用途。
本发明的技术方案如下本发明的技术方案如下一种基于仿生过程的水凝胶快速成形工艺方法，其特征在于该方法按如下步骤进行1)将纤维蛋白原和一种或多种医用水溶性高分子材料，制备成浓度为0.005～0.200g/ml水溶液，称为组份I，所述的纤维蛋白原与医用水溶性高分子材料的质量比为1∶0.1～10；2)将凝血酶和医用水溶性高分子材料混合，制备成水溶液，称为组份II，所述的医用水溶性高分子材料的浓度范围为0～0.200g/ml；3)在所述的组份1和组份II中选择性加入Ca离子、凝血因子或两者同时加入，将溶液进行灭菌处理，其中氯化钙的浓度范围为0～0.05g/ml，凝血因子的浓度范围为0～400U/ml；4)采用数字化的微滴喷射技术，使组份I和组份II接触混和，在酶促反应作用下，纤维蛋白原转变为纤维蛋白，混和溶液形成以纤维蛋白为基质的水凝胶；5)根据预先设计的结构和定义规划的路径，在计算机的控制下，最终制造出具有空间复杂形状和孔隙结构的三维水凝胶结构。
本发明所提供的基于仿生过程的水凝胶快速成形工艺方法，其步骤4)中所述的组份I和组份II接触混和的具体工艺路线有如下几种a)组份I在组份II的液态、雾化或固定形式中喷出，同时发生混和并固化成形；b)组份I先成形后，再置于组份II环境中发生酶促反应，生成水凝胶；c)组份I喷出后，组份II循原轨迹喷射，使之混和并固化成形；d)组份I和组份II先经混和，后喷到指定位置成形。
本发明所述的医用水溶性高分子材料采用蛋白质、糖类、脂类、糖蛋白、蛋白多糖或氨基酸。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果本发明将凝血原理应用于快速成形，开发出一种新的水凝胶快速成形工艺方法，为水凝胶支架的制备提供了更为可行的手段。凝血过程中，在Ca离子和其它凝血因子的环境中，凝血酶使得血液中游离的液态纤维蛋白原很快转化为一种固态的纤维蛋白，形成水凝胶结构。①基体材料为纤维蛋白原，是细胞外基质的主要组成成份之一，其生物相容性更好。②成形的水凝胶样品，结构比较稳定。一定组份的材料配比，其成后的样品，在模拟人体体液的培养液环境中，可以维持结构在数月内不发生导致结构瘫塌的降解；加以一定的调控手段，可以有效的控制其降解速度，为临床医用或是其它较长周期的应用奠定基础。③成形的水凝胶样品，线宽可以进一步降低，可以成形精度和孔隙率更高、力学性能更好的三维水凝胶样品。
图1为基于凝血原理的水凝胶快速成形工艺流程。
具体实施例方式
图1为本发明的工艺路线。将纤维蛋白原和一种或多种医用水溶性高分子材料，制备成浓度为0.005～0.200g/ml水溶液，称为组份I；所述的纤维蛋白原与医用水溶性高分子材料的质量比为1∶0.1～10；将凝血酶和医用水溶性高分子材料混合，制备成水溶液，称为组份II，其中凝血酶的浓度范围为2～5000U/ml，医用水溶性高分子材料的浓度范围为0～0.200g/ml，将所述溶液灭菌备用；上述两种组份都可选择添加Ca离子或凝血因子，Ca离子通常以氯化钙的形式出现，在每种组分中氯化钙的浓度范围为0～0.05g/ml，凝血因子的浓度范围为0～400U/ml，以上两种材料的加入与否，以及加入量的多少，取决于工艺所需要的对凝胶化速度的控制，以及成形样品的稳定性要求，加入量越多，凝胶化速度越快，成形样品稳定性越高。
两种组份都为水溶胶，可混和发生酶促反应，产生溶胶-水凝胶转变；采用数字化的微滴喷射技术，利用快速成形方法，可制造出具有空间复杂形状和孔隙结构的三维水凝胶结构。
本发明实验平台的整个装置包括若干个挤压喷射喷头、三维运动平台、喷射驱动装置、成形空间及其调控系统等；将组份I和组份II输入成形设备中，在计算机CAD模型直接驱动下，通过控制各喷头的扫描运动与挤压喷射运动，根据预先设计的结构和定义规划的路径，根据不同的成形工艺路线，将组份I和组份II挤压或喷射出来，堆积到指定空间位置；发生原位胶联反应，产生溶胶-凝胶转变，形成具有一定的形态和强度的水凝胶，通过逐点逐层的堆积，可制造出具有空间复杂形状和孔隙结构的三维水凝胶结构。
实施例1通过该工艺方法制造的纤维蛋白-明胶三维结构。将纤维蛋白原和明胶的混合物制备成组份I水溶液，浓度为0.050g/ml，其中纤维蛋白原和明胶的质量比为2∶3，再制一定氯化钙、凝血酶溶液的作为组份II，凝血酶的浓度为5000U/ml，氯化钙的浓度为0.05g/ml，灭菌备用；先将材料低温预冷，在4℃环境下，根据预先设计的结构和定义规划的路径，通过挤压的方法，将组份I喷射到充满雾化的组份II无菌成形室中；喷射到指定位置后，组份1发生溶胶-凝胶转变，形成水凝胶；逐层堆积得到纤维蛋白原明胶三维结构。
实施例2通过该工艺方法制造的纤维蛋白-明胶三维结构。将纤维蛋白原和明胶的混合物制备成组份I水溶液，浓度为0.200g/ml，其中纤维蛋白原和明胶的质量比为1∶3，再制一定凝血酶以及凝血因子溶液的作为组份II，凝血酶的浓度为2U/ml，凝血因子的浓度为32U/ml，灭菌备用；先将材料低温预冷，在4℃环境下，根据预先设计的结构和定义规划的路径，通过挤压的方法，将组份I喷射到液态的组份II环境中；喷射到指定位置后，组份I发生溶胶-凝胶转变，形成水凝胶；逐层堆积得到纤维蛋白原-明胶三维结构。
实施例3通过该工艺方法制造的纤维蛋白-琼脂糖三维结构。将纤维蛋白原和琼脂糖的混合物溶于氯化钙溶液制备成组份I水溶液，浓度为0.050g/ml，灭菌备用，其中纤维蛋白原和琼脂糖的质量比为3∶2，再将凝血酶以及凝血因子包埋固定在喷头腔体内表面；在37℃环境下，根据预先设计的结构和定义规划的路径，通过挤压的方法，使组份I在通过喷头喷出时，受到固定的酶的作用，发生溶胶-凝胶转变，形成水凝胶，再经过逐层堆积，获得纤维蛋白原-琼脂糖三维结构。
实施例4通过该工艺方法制造的纤维蛋白-壳聚糖三维结构。将纤维蛋白原和壳聚糖的混合物制备成组份I水溶液，浓度为0.005g/ml，其中纤维蛋白原和壳聚糖的质量比为10∶1，再制一定凝血酶溶液的作为组份II，凝血酶的浓度为10U/ml，灭菌备用；先将材料低温预冷，在4℃环境下，根据预先设计的结构和定义规划的路径，通过挤压的方法，将组份I成形为一定的三维结构，再置于组份II的液体环境中成形，发生溶胶-凝胶转变，形成水凝胶，最终获得纤维蛋白原-壳聚糖三维结构。
实施例5通过该工艺方法制造的纤维蛋白-明胶三维结构。将纤维蛋白原和明胶的混合物制备成组份I水溶液，浓度为0.110g/ml，其中纤维蛋白原和明胶的质量比为1∶10，再制一定明胶、氯化钙、凝血酶以及凝血因子溶液的作为组份II，其中明胶的浓度为0.200g/ml，凝血酶的浓度为100U/ml，氯化钙的浓度为0.001g/ml，凝血因子的浓度为400U/ml，灭菌备用；先将材料低温预冷，在4℃环境下，根据预先设计的结构和定义规划的路径，通过挤压，先将组份I按规划路径喷出一层，再将组份II循原规迹喷一层，组份I和组份II接触互融后发生溶胶-凝胶转变，形成水凝胶，这样反复喷射，经过逐层堆积，最终获得纤维蛋白原-明胶三维结构。
实施例6通过该工艺方法制造的纤维蛋白-胶原三维结构。将纤维蛋白原和胶原的混合物制备成组份I水溶液，浓度为0.100g/ml，其中纤维蛋白原和胶原的质量比为8∶2，再制一定胶原、氯化钙、凝血酶以及凝血因子溶液的作为组份II，其中胶原的浓度为0.050g/ml，凝血酶的浓度为360U/ml，氯化钙的浓度为0.444×10-3g/ml，凝血因子的浓度为40U/ml，灭菌备用；根据预先设计的结构和定义规划的路径，通过挤压的方法，将组份I和组份II混和并喷出到无菌成形室中的指定位置，发生溶胶-凝胶转变，形成水凝胶；逐层堆积得到纤维蛋白原-胶原三维结构。
权利要求
1.一种基于仿生过程的水凝胶快速成形工艺方法，其特征在于该方法按如下步骤进行1)将纤维蛋白原和一种或多种医用水溶性高分子材料，制备成浓度为0.005～0.200g/ml水溶液，称为组份I，所述的纤维蛋白原与医用水溶性高分子材料的质量比为1∶0.1～10；2)将凝血酶和医用水溶性高分子材料混合，制备成水溶液，称为组份II，所述的凝血酶的浓度范围为2～5000U/ml，医用水溶性高分子材料的浓度范围为0～0.200g/ml；3)在所述的组份I和组份II中选择性加入Ca离子、凝血因子或两者同时加入，将溶液进行灭菌处理，其中氯化钙的浓度范围为0～0.05g/ml，凝血因子的浓度范围为0～400U/ml；4)采用数字化的微滴喷射技术，使组份I和组份II接触混和，在酶促反应作用下，纤维蛋白原转变为纤维蛋白，混和溶液形成以纤维蛋白为基质的水凝胶；5)根据预先设计的结构和定义规划的路径，在计算机的控制下，最终制造出具有空间复杂形状和孔隙结构的三维水凝胶结构。
2.按照权利要求1所述的基于仿生过程的水凝胶快速成形工艺方法，其特征在于步骤4)中所述的组份I和组份II接触混和，该接触混合的具体工艺路线有如下几种a)组份I在组份II的液态、雾化或固定形式中喷出，同时发生混和并固化成形；b)组份I先成形后，再置于组份II环境中发生酶促反应，生成水凝胶；c)组份I喷出后，组份II循原轨迹喷射，使之混和并固化成形；d)组份I和组份II先经混和，后喷到指定位置成形。
3.按照权利要求1或2所述的基于仿生过程的水凝胶快速成形工艺方法，其特征在于所述的医用水溶性高分子材料采用蛋白质、糖类、脂类、糖蛋白、蛋白多糖或氨基酸。
全文摘要
一种基于仿生过程的水凝胶快速成形工艺方法，该方法模拟人体凝血过程中生成纤维蛋白凝胶的生物过程，将纤维蛋白原、医用水溶性高分子材料，以及凝血酶、Ca离子和凝血因子，制备成两种多组份的水溶液，灭菌备用；采用数字化微滴喷射技术，使两种溶液接触混和，在指定空间位置堆积；在不同的接触混和路线中，发生酶促反应，形成以纤维蛋白为基质的水凝胶；按预先设计的路线堆积，最终制造出具有空间复杂形状和孔隙结构的三维水凝胶结构。凝血过程具有复杂有效的调控机理，基于此本发明构建的水凝胶结构有更好的力学和生物学性能，结构比较稳定，可以有效的调控其降解速度，适合于组织工程样品的成形，或药物缓释载体的开发等用途。
文档编号A61L27/40GK1820791SQ200610011550
公开日2006年8月23日 申请日期2006年3月24日 优先权日2006年3月24日
发明者熊卓, 颜永年, 李生杰, 王小红, 吴任东, 林峰, 张人佶, 卢清萍, 刘海霞 申请人:清华大学