一种3d生物打印水凝胶材料及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种3D生物打印水凝胶材料及其应用，该水凝胶材料，含有细胞生长因子及营养组分，水，温敏性聚合物和生物大分子。本发明的3D打印水凝胶材料具有与人体软组织相仿的力学性质，并可包裹细胞，有良好的细胞黏附性，用于人体内时，免疫排斥小，抗过敏，有利于人体健康恢复，生物降解性好，安全无毒，无需二次开刀取出，减小了病人的二次损伤；本发明3D打印水凝胶材料，配合相应的技术设备，可实现其大小、结构等方面的个性化设计，为使用对象提供“一对一”匹配的产品。
【专利说明】【【技术领域】】
[0001] 本发明涉及一种3D生物打印材料及其应用，尤其涉及一种基于生物高分子的3D 生物打印水凝胶材料及其应用，属于生物材料【技术领域】。 一种3D生物打印水凝胶材料及其应用 【【背景技术】】
[0002] 传统数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多 余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品。而3D打印是一种数字模型文 件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的 技术，因此也称为"增材制造 "（additive manufacturing)。3D打印无需原胚和模具，就能 直接根据计算机图形数据生成任何形状的物体，简化产品的制造程序，缩短产品的研制周 期，提高效率并降低成本。
[0003] 3D打印技术又称增材制造技术，实际上是快速成型领域的一种新兴技术，它是一 种以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术从概念的 提出到现在已经有30多年的发展历史。随着技术、设备的日趋成熟，3D打印开始走进大众 的视野并迅速成为制造业的新宠。而对医疗界而言，3D打印技术预示着一场医学新革命或 将来临。从仿真医疗模型、生物医疗器械，到更具个性化的移植组织或气管、更具潜力的生 物高分子材料，都将聚拢于3D打印麾下。
[0004] 生物打印是3D打印在医疗领域的应用，用以制造活组织和活器官，其在组织工 程中的应用已然成为最热门的研究课题之一。2009年底，澳大利亚Invetech公司和美国 Organovo公司宣布携手研制出了全球首台商业化3D生物打印机，打印机有两个打印头，一 个放置最多达8万个人体细胞，被称为"生物墨"；另一个可打印"生物纸"。所谓生物纸的 主要成分是水凝胶，可用作细胞生长的支架。
[0005] 基于生物大分子的水凝胶含水量高，力学性质与软组织相似，具有良好的生物相 容性、输送养分和排泄代谢物的高效性以及包裹细胞的强大能力，这些特点使其被广泛地 用于构建组织工程支架、药物缓释体系等。
[0006] 生物打印可以实现个性化定制，制成与人体组织高度匹配的"零件"，用于复杂骨 科手术、颅骨修复、小耳畸形修复和口腔正畸等。科学家的最大的雄心便在于打印出心、肝 脏等人体器官以解决全球日益增多等待器官移植患者的需求。大多数器官的结构高度复 杂，常常由几十种不同的细胞组成并发挥着各种不同的功能，以肝脏为例，其所发挥的生物 学功能多达500种。从技术上讲，通过沿Z轴逐层打印细胞的的3D打印机可以"搭建"出 由细胞"叠成"的组织或器官，但从生物学角度说，若想这些组织或器官适用于人体移植，则 需要考虑如何将不同类型的细胞"打印"至适当的位置，以使其像胚胎一样逐渐发育成所想 要的组织或器官；还要考虑如何为这些细胞提供营养物质和氧气，即如何建造一个血液循 环系统。
[0007] 如今3D打印和应用于组织工程的水凝胶材料都发展到了一定的阶段，如何把两 者融合到一起完成生物打印，便成了一个新的问题。生物打印技术方兴未艾，而大部分应用 材料还停留在基础研究阶段，既要考虑材料的物理化学及生物学性能，还需要解决"打印" 成型的问题，离实际应用还有一段距离。 【
【发明内容】
】
[0008] 本发明的目的是针对目前应用于生物打印的材料的短缺，提供一种基于生物大分 子的，人体用免疫排斥小，生物降解性好，具有合适力学性质的3D生物打印水凝胶材料。
[0009] 本发明的另一目的是提供上述3D生物打印水凝胶材料在3D生物打印中的应用。
[0010] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0011] 一种3D生物打印水凝胶材料，其特征在于含有细胞生长因子及营养组分。
[0012] 本发明3D生物打印水凝胶材料，含有水，温敏性聚合物和生物大分子。
[0013] 本发明上述各组分的质量百分比为：
[0014] 水 50-85% 温敏性聚合物 5-30% 生物大分子 5-30% 细胞生长因子及营养组分1-5%。
[0015] 本发明中的温敏性聚合物选自聚N-异丙基丙基酰胺类、ΡΕ0-ΡΡ0-ΡΕ0三嵌段共聚 物以及具有温变性的改性天然高分子，优选其中一种。
[0016] 本发明中的生物大分子选自纤维素、透明质酸、壳聚糖、海藻酸类天然高分子及其 改性物中的一种或多种。
[0017] 本发明材料中还含有光聚合引发剂，交联剂和其他调节剂，其中光聚合引发剂和 交联剂可以选择其种一种或两种，二者均用于调控水凝胶的网络结构的交联度。
[0018] 本发明3D生物打印水凝胶材料优选由以下质量百分含量的组分组成：
[0019] 水 50-90% 温敏性聚合物 5-30% 生物大分子 5-30% 细胞生长因子及营养组分 1-5% 光聚合引发剂 1-2% 交联剂 0-2% 其它调节剂 0-1%
[0020] 以上各组分的百分比之和为100%。
[0021] 本发明中的温敏性聚合物为聚N-异丙基丙基酰胺（p(NIPAAm))类、ΡΕ0-ΡΡ0-ΡΕ0 三嵌段共聚物（泊洛沙姆）以及具有温变性的改性天然高分子中的一种。
[0022] 本发明中的生物大分子为纤维素、透明质酸、壳聚糖、海藻酸类天然高分子及其改 性物中的一种或多种。
[0023] 本发明3D生物打印水凝胶材料制备时将各组分于常温下混合均匀即可。
[0024] 本发明3D生物打印水凝胶材料在3D生物打印中的应用，本发明应用于3D生物打 印时易于成型。
[0025] 本发明相对于现有技术，有以下优点：
[0026] 本发明的3D打印水凝胶材料用于人体内时，免疫排斥小，抗过敏，无需大量长期 服用抗排斥与抗过敏药物，有利于人体健康恢复。生物降解性好，安全无毒，无需二次开刀 取出，减小了病人的二次损伤。
[0027] 本发明3D打印水凝胶材料具有与人体软组织相仿的力学性质，可调的孔隙率，并 可包裹细胞，有良好的细胞黏附性，为引导其生长、增殖提供支撑骨架及合适的生理条件。
[0028] 本发明3D打印水凝胶材料，配合相应的技术设备，可实现其大小、结构等方面的 个性化设计，为使用对象提供"一对一"匹配的产品。 【【具体实施方式】】
[0029] 下面结合具体实施例对本发明作进一步描述：
[0030] 实施例1 :
[0031] 3D生物打印水凝胶材料的质量百分含量配比为：
[0032] 水80 %，温敏性聚合物10 %，生物大分子6. 5 %，细胞生长因子及营养组分1 %，光 聚合引发剂1份，交联剂1份，其他调节剂〇. 5份。
[0033] 实施例2 :
[0034] 3D生物打印水凝胶材料的质量百分含量配比为：
[0035] 水85%，温敏性聚合物5%，生物大分子8%，光聚合引发剂1%，细胞生长因子及 营养组分1 %。
[0036] 实施例3 :
[0037] 3D生物打印水凝胶材料的质量百分含量配比为：
[0038] 水86. 5 %，温敏性聚合物5 %，生物大分子5 %，细胞生长因子及营养组分1 %，光 聚合引发剂1 %，交联剂1 %，其他调节剂〇. 5 %。
[0039] 实施例4 :
[0040] 3D生物打印水凝胶材料的质量百分含量配比为：
[0041] 水50 %，温敏性聚合物15 %，生物大分子25 %，细胞生长因子及营养组分5 %，光 聚合引发剂2 %，交联剂2 %，其他调节剂1 %。实施例5 :
[0042] 3D生物打印水凝胶材料的质量百分含量配比为：
[0043] 水64%，温敏性聚合物15%，生物大分子15%，细胞生长因子及营养组分3%，光 聚合引发剂1 %，交联剂1 %，其他调节剂1 %。实施例6 :
[0044] 3D生物打印水凝胶材料的质量百分含量配比为：
[0045] 水50%，温敏性聚合物30%，生物大分子12%，细胞生长因子及营养组分3%，光 聚合引发剂2 %，交联剂2 %，其他调节剂1 %。实施例7 :
【权利要求】
1. 一种3D生物打印水凝胶材料，其特征在于含有细胞生长因子及营养组分。
2. 根据权利要求1所述的一种3D生物打印水凝胶材料，其特征在于含有水，温敏性聚 合物和生物大分子。
3. 根据权利要求2所述的一种3D生物打印水凝胶材料，其特征在于所述各组分的质量 百分比为： 水 50-85% 温敏性聚合物 5-30% 生物大分子 5-30% 细胞生长因子及营养组分1-5%。
4. 根据权利要求3所述的一种3D生物打印水凝胶材料，其特征在于还含有光聚合引发 齐[J，交联剂和其他调节剂。
5. 根据权利要求2-4中任一项所述的一种3D生物打印水凝胶材料，其特征在于所述的 温敏性聚合物选自聚N-异丙基丙基酰胺类、ΡΕ0-ΡΡ0-ΡΕ0三嵌段共聚物以及具有温变性的 改性天然高分子。
6. 根据权利要求2-4中任一项所述的一种3D生物打印水凝胶材料，其特征在于所述的 生物大分子选自纤维素、透明质酸、壳聚糖、海藻酸类天然高分子及其改性物。
7. -种权利要求1所述的3D生物打印水凝胶材料在3D生物打印中的应用。
【文档编号】A61L27/50GK104107457SQ201410363077
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】段升华, 潘静雯 申请人:段升华