一种基于淀粉颗粒的嵌入式3D打印悬浮支撑材料及其制备方法和应用

本发明属于生物医用材料，具体涉及一种基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、嵌入式3d打印技术(embedded 3d printing)是直写3d打印的一种新兴变体，它基于在软支撑基质内打印复杂结构，具有优越的制造自由性和灵活性，可以制造复杂的微尺寸结构，在微纳制造、生物医学、光学和电子等领域具有广泛的应用前景。

2、悬浮支撑材料在嵌入式3d打印过程中提供支撑和稳定作用。目前常用的悬浮支撑材料包括明胶、结兰胶、羟丙基甲基纤维素/pluronic f127、甲基丙烯酰化明胶、海藻酸钠/胶原等，其中较为常用的是明胶，明胶在常温下物理交联，呈凝胶态，经过研磨、打碎等方式可形成明胶颗粒，堆积的密度较大的明胶颗粒具有触变性和恢复性能，常温下物理交联的明胶在细胞培养温度37℃下液化，具有可去除性。

3、公开号为cn114369291a的中国专利文献公开了体外构建血管模型的方法，包括以下步骤：首先分别制备打印材料和打印基质，其中，打印材料包括多聚赖氨酸，打印基质包括氧化细菌纤维素，再将打印材料在打印基质中进行嵌入式3d打印，制备打印结构，再将所述打印结构转移至细胞培养液中，构建得到多尺度血管网络结构。该发明中，多聚赖氨酸分子上的胺基被质子化，阳离子性质使其成为带负电荷生物分子粘附和细胞粘附的理想涂层基质，配合氧化细菌纤维素与细胞外基质的胶原相似的结构和尺寸其界面特性被构建出界面膜，二者间的界面静电作用可以实现刺激响应功能以及特意选择透过功能。

4、有学者报道了一种用于制造宏观弹性组织模拟结构的墨水材料和嵌入式3d打印策略(yun wu,adrian j.y.chee,hossein golzar,alfred c.h.yu,xiaowu(shirley)tang，embedded 3d printing of ultrasound-compatible arterial phantoms withbiomimetic elasticity，advanced functional materials,vol.32,2022,https://doi.org/10.1002/adfm.202110153)。该研究中开发了由具有不同取代度(dos)的甲基丙烯酸缩水甘油酯聚乙烯醇(pvagma)和具有强剪切稀化性能的纤维素纳米晶体组成的新型油墨。通过控制pvagma的dos，可得到具有所需机械刚度的水凝胶，最终用于构建血管模型。

5、但是上述工艺中，采用的悬浮支撑材料均不具有普适性，且制备过程复杂，使得制得的生物组织材料使用范围受到诸多限制。

技术实现思路

1、为了克服嵌入式3d打印悬浮支撑材料的独特性和局限性，拓宽悬浮支撑材料的选择范围，本发明提供了一种基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料的制备方法，工艺简单，原料易得，能够提高制得的悬浮支撑材料中的颗粒精度。

2、具体采用的技术方案如下：

3、一种基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料的制备方法，将淀粉水溶液在150℃-300℃下加热，继续加入水凝胶相材料或水凝胶相材料与助剂的混合物，搅拌溶解，得到所述的基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料；

4、所述的淀粉包括直链淀粉和支链淀粉，选自玉米淀粉或绿豆淀粉；

5、所述的水凝胶相材料包括但不限于明胶、甲基丙烯酰化生物材料或n-异丙基丙烯酰胺；所述的甲基丙烯酰化生物材料包括但不限于甲基丙烯酰化明胶(gelma)、甲基丙烯酰化海藻酸钠(algma)、甲基丙烯酰化透明质酸(hama)、甲基丙烯酰化丝素蛋白(silma)、甲基丙烯酰化丝胶蛋白(serma)、甲基丙烯酰化壳聚糖(csma)或甲基丙烯酰化硫酸软骨素(chsma)等；

6、所述的助剂为光引发剂或交联剂。

7、发明人通过大量实验探究得到，当所述的淀粉选自玉米淀粉或绿豆淀粉时，制得的产品悬浮支撑材料在嵌入式3d打印过程中表现出良好的自愈合性能，而土豆淀粉和木薯淀粉由于黏性大，制备得到的悬浮支撑材料并不能用于嵌入式3d打印。

8、优选的，所述的淀粉水溶液的质量浓度为11-15wt％，所述的淀粉与水凝胶相材料的比例为1：0.2-0.9。

9、进一步优选的，当制备所述的基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料的体系中添加光引发剂时，所述的光引发剂的加入量为水凝胶相材料加入量的1-3wt％。

10、优选的，将淀粉水溶液在150-300℃下加热1-2.5min。加热温度过低，导致淀粉颗粒破坏不完全，无法形成悬浮支撑材料所需的无序颗粒状态；加热时间过长导致水分蒸发，淀粉溶液浓度和粘度过高，无法完成牺牲墨水的打印。

11、进一步优选的，将淀粉水溶液在300℃下加热2min。在上述优选的条件下，制得的悬浮支撑材料稳定性更好、性能更佳。

12、淀粉在水中加热的过程中，淀粉首先膨胀，继续加热后淀粉颗粒破裂，释放直链淀粉，持续加热到120℃以上后，支链淀粉裂解，淀粉颗粒完全破裂，降温后，支链淀粉首先重组，形成无序淀粉颗粒，达到退火温度后(约35℃)，直链淀粉在支链淀粉周围重组，此时，高温加热后的淀粉在常温下呈凝胶态，且退火过程不可逆。而在本技术中，将水凝胶相材料加入到加热后的淀粉凝胶中，阻碍直链淀粉的重组，破坏其退火形成固态凝胶的过程，例如，加入亲水性的明胶，与直链淀粉重组竞争其重组所需的氢键，阻碍其重组过程，因此，重组后的支链淀粉形成的淀粉颗粒密集悬浮在两相系统中，为嵌入式3d打印提供悬浮支撑性能。

13、优选的，所述的基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料的制备方法还包括加载细胞的过程：将细胞悬浮液加入到所述的基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料中，混匀培养，得到加载有细胞的基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料；所述的细胞包括间充质干细胞、成骨细胞或内皮细胞。

14、进一步优选的，所述的细胞为骨髓间充质干细胞(bmscs)、小鼠胚胎成骨细胞(mc3t3-e1)或人脐静脉内皮细胞(huvecs)。

15、本发明还提供了所述的基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料的制备方法制得的基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料。

16、所述的基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料在水凝胶相材料呈液态的条件下使用，也即在所述的基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料为液固混合物状态时使用其进行嵌入式3d打印，水凝胶相材料的液态环境能够破坏淀粉的重结晶。

17、优选的，所述的基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料在≥37℃下使用。

18、优选的，所述的基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料中加载有细胞，所述的细胞在所述的基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料中的密度为1×105-1×107个细胞/ml。对该悬浮支撑材料进行冷冻干燥后，在扫描电子显微镜(sem)下观察发现其呈均匀的多孔结构，能够为材料内细胞的生长和铺展提供了空间。

19、本发明还提供了所述的基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料在制备体外仿生组织中的应用。

20、本发明还提供了一种含三维血管网络的体外仿生组织的制备方法，包括以下步骤：

21、将牺牲墨水在所述的基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料中进行嵌入式3d打印；进一步固化所述的基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料，并去除体系中的牺牲墨水，得到所述的含三维血管网络的体外仿生组织。

22、优选的，所述的嵌入式3d打印的温度为37℃。

23、优选的，所述的牺牲墨水为pluronic f-127或琼脂糖。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

25、(1)本发明提供了一种基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料的制备方法，工艺简单，适用性广，直接运用淀粉颗粒在加热和降温退火后的无序颗粒状态，混合任意水凝胶相材料，依靠淀粉颗粒在两相系统中提供悬浮打印性能，只需进行简单的加热和降温过程，不涉及颗粒制备等额外工序，解决了当前用于嵌入式3d打印的悬浮支撑材料选择范围较窄、制备过程复杂的问题；

26、(2)现有技术中采用的明胶颗粒等悬浮支撑材料一般为凝胶固化后研磨、破壁机破碎等方法制得，其过程不可控，且得到的明胶颗粒等大小不均，降低了制备和打印过程中的精度；而本发明方法制得的基于淀粉颗粒的嵌入式3d打印悬浮支撑材料中淀粉颗粒大小较为均一，有助于提高制得的体外仿生组织的精度。