本发明涉及生物3d打印材料技术领域，具体涉及一种用于生物3d打印的可降解复合材料及其制备方法。
背景技术：
3d打印技术，即增材制造技术，是一种通过逐层增加堆积材料来生成三维实体的快速增材制造技术；组织工程将细胞生物学和材料科学相结合，进行体外或体内构建组织或器官，将这两种技术结合的生物3d打印技术在再生医学领域显示出巨大的优越性。
热塑性聚氨酯弹性体简称tpu，又称pu热塑胶，是一类很有代表性的热塑性弹性体，是一种（ab）n型线型嵌段聚合物，在它的结构中，a链段被称为软链段，代表高分子量的多元醇聚合物，该链段具有柔韧与软的特性，使tpu具有延伸性，称为软链段；b链段与异氰酸酯反应生成的氨酯链被称为短链段，代表含2-12个直链碳原子二醇，具有刚性和硬的性质，称为硬段链。ab软硬段链间采用二异氰酸酯进行化学结合形成氨基甲酸酯键。通过调整a、b链段的物质和比例，可制成具有不同物理机械性能和性质的tpu制品。
在组织工程领域细胞载体的构建主要有四种方法，多孔支架、脱细胞外基质(ecm)、细胞分泌基质、水凝胶封装细胞的复合体等。多孔支架由不同的合成原料制成，活细胞被植入多孔的支架上，植入体内以生长。这种方法成本低，易操作。但在生物相容性，组织粘附，表面化学，机械化学稳定性和降解速率上并不理想，动力学的形成上也很容易出错。脱细胞ecm技术类似于预制多孔支架，只是支架的来源不同。从相似组织中分离脱细胞后制成ecm，ecm具有组织结构，为细胞的附着、迁移提供了一个物理平台，还发送生化信号，通过分子相互作用调节细胞。这一技术的主要优点在预先制作的支架上有较低的毒性。但由于其免疫原性，生物材料和细胞常常大量坏死在支架上，供体组织可能诱发免疫反应和变异。细胞分泌基质可以重复获得较厚的多细胞层，多层细胞片被转移并植入用于形成新组织的生物材料的免疫原性，但应用范围非常有限，如组织工程表皮。细胞组装水凝胶复合体。细胞封装是一种诱捕活细胞的方法，采用自混合技术制备生物可降解聚合物。做一个细胞胶囊化的水凝胶。这种技术因其具有较高的生物降解性通常用于通过药物传递或用于组织再生、软组织再生、软骨支架。每种材料都有各自的优点，但没有一种材料具有性能的一致性，包括机械性能，稳定性，生物降解性，生物相容性，低毒性，热或电敏感性，渗透性，表面粘附性，亲水性或疏水性和流动性，粘度等。材料性能的一致性可以经过适当的材料选择、设计和制造来实现。在这种情况下，3d打印支架，比其他支架合成方式的优势更大，但需要找到无毒无免疫原性可降解、生物相容性好、细胞可存活繁殖的材料，同时要求这种材料的机械性能可以模拟人体原生组织。
技术实现要素：
针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种用于生物3d打印的可降解复合材料及其制备方法，具有良好的机械性能和生物相容性，生物活性好，材料可降解，符合再生医学领域的生物3d打印复合材料的应用。
本发明的技术解决方案是这样实现的：一种用于生物3d打印的可降解复合材料，包括以下以重量份计的原料，50-90份的热塑性聚氨酯高分子合成材料和10-50份含106-107/ml体外培养细胞的水凝胶。
优选的，所述热塑性聚氨酯高分子合成材料由多元醇、扩链剂、二异氰酸酯为主要原料并在催化剂作用下用熔融预聚二步法合成。
优选的，所述水凝胶组成成分如下：30-45mg/ml明胶、20-35mg/ml纤维蛋白原、2-5mg/ml透明质酸钠ha、5-10%v/v甘油。
优选的，所述体外培养细胞为成肌细胞、成纤维细胞、成骨细胞、干细胞其中一种或几种活性细胞。
优选的，所述多元醇为环氧乙烷-四氢呋喃无规共聚醚、聚己二酸乙二醇酯pea、聚己二酸丁二醇酯二醇pba、聚丙二醇ppg中的一种或几种。
优选的，所述扩链剂为1，4-丁二醇bdo、1,2-环己二醇chd、丙二醇、双酚a、新戊二醇、二乙二醇中的一种或几种。
优选的，所述二异氰酸酯为间苯二亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯ipdi、二苯基甲烷二异氰酸酯mdi、甲苯二异氰酸酯tdi、六亚甲基二异氰酸酯hdi中的一种或几种。
优选的，所述催化剂为三亚乙基二胺、三乙胺、辛酸亚锡、丁二基锡二月桂酸锡中的一种或几种。
一种制备用于生物3d打印的可降解复合材料的方法，步骤一、将聚己二酸乙二醇酯pea、二苯基甲烷二异氰酸酯mdi、1,4-丁二醇bdo以1:（4-20）:（5-16）的配比组成，将聚己二酸乙二醇酯pea脱水，加入已干燥的二苯基甲烷二异氰酸酯mdi，110℃条件下匀速搅拌2-3h，加入1,4-丁二醇bdo快速搅拌5-15min，继续反应3-5min，导入模具中105-120℃真空干燥熟化12h，脱模备用；步骤二、将透明质酸钠ha加入到dmem培养基中，搅拌过夜，溶液中加入甘油并搅拌1小时，溶液中透明质酸钠ha浓度为2-5mg/ml，甘油体积分数为5-10%v/v；再加入明胶和纤维蛋白原，轻轻摇动溶液1h，制成水凝胶备用，在组织打印前，用水凝胶将体外培养细胞悬浮，使细胞密度达到（1-4）×107/ml；步骤三，将上述两个步骤中得到的材料加入3d打印机墨盒内，并配合其他材料由打印机程序控制两个墨盒的组分配比和逐层沉淀及形状工艺进行打印。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的一种用于生物3d打印的可降解复合材料及其制备方法，热塑性聚氨酯高分子合成材料和水凝胶具有较好的生物相容性；以水凝胶为基础的活性细胞在材料中分布均匀；多种活性细胞在打印一周后仍然在复合材料中保持较高的生物活性；使用的材料无毒可降解；可结合其他硬性材料构建更复杂的人工组织或器官；改变聚氨酯合成工艺中原料组成和配比可改变机械性能和降解速度，结合多种细胞联合打印可构建不同要求的人工组织器官；本发明的复合材料具有一般水凝胶或胶原等材料缺乏的弹性，是在持续机械刺激和动态环境下仍然具有较好的能够反复的变形和回复的三维高分子构架，在构建人工肌肉、结缔组织等动态组织器官上有很大优势。
具体实施方式
现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明所述的一种用于生物3d打印的可降解复合材料，包括以下以重量份计的原料，50-90份的热塑性聚氨酯高分子合成材料和10-50份含106-107/ml体外培养细胞的水凝胶；所述热塑性聚氨酯高分子合成材料由多元醇、扩链剂、二异氰酸酯为主要原料并在催化剂作用下用熔融预聚二步法合成；所述水凝胶组成成分如下：30-45mg/ml明胶、20-35mg/ml纤维蛋白原、2-5mg/ml透明质酸钠ha、5-10%v/v甘油；所述体外培养细胞为成肌细胞、成纤维细胞、成骨细胞、干细胞其中一种或几种活性细胞；所述多元醇为环氧乙烷-四氢呋喃无规共聚醚、聚己二酸乙二醇酯pea、聚己二酸丁二醇酯二醇pba、聚丙二醇ppg中的一种或几种；所述扩链剂为1，4-丁二醇bdo、1,2-环己二醇chd、丙二醇、双酚a、新戊二醇、二乙二醇中的一种或几种；所述二异氰酸酯为间苯二亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯ipdi、二苯基甲烷二异氰酸酯mdi、甲苯二异氰酸酯tdi、六亚甲基二异氰酸酯hdi中的一种或几种；所述催化剂为三亚乙基二胺、三乙胺、辛酸亚锡、丁二基锡二月桂酸锡中的一种或几种。
一种制备用于生物3d打印的可降解复合材料的方法，步骤一、将聚己二酸乙二醇酯pea、二苯基甲烷二异氰酸酯mdi、1,4-丁二醇bdo以1:（4-20）:（5-16）的配比组成，将聚己二酸乙二醇酯pea脱水，加入已干燥的二苯基甲烷二异氰酸酯mdi，110℃条件下匀速搅拌2-3h，加入1,4-丁二醇bdo快速搅拌5-15min，继续反应3-5min，导入模具中105-120℃真空干燥熟化12h，脱模备用；步骤二、将透明质酸钠ha加入到dmem培养基中，搅拌过夜，溶液中加入甘油并搅拌1小时，溶液中透明质酸钠ha浓度为2-5mg/ml，甘油体积分数为5-10%v/v。再加入明胶和纤维蛋白原，轻轻摇动溶液1h，制成水凝胶备用，在组织打印前，用水凝胶将体外培养细胞悬浮，使细胞密度达到（1-4）×107/ml；步骤三，将上述两个步骤中得到的材料加入3d打印机墨盒内，并配合其他材料由打印机程序控制两个墨盒的组分配比和逐层沉淀及形状工艺进行打印。
实施例1：将生物3d打印的可降解复合材料用于打印人造肌肉组织。
首先，将聚己二酸乙二醇酯pea、二苯基甲烷二异氰酸酯mdi、1,4-丁二醇bdo以1:4:5的配比组成，将pea通氮气，100℃条件下脱水，加入已干燥的mdi，110℃条件下匀速搅拌2-3h；加入bdo快速搅拌5-15min，停止通氮气，继续反应3-5min，导入模具中110℃真空干燥熟化12h，脱模备用。
然后，将30mg的透明质酸钠ha加入到10ml的dmem培养基中，搅拌过夜，溶液中加入1ml甘油并搅拌1小时，再加入0.3g明胶和0.3g纤维蛋白原1h后，轻轻摇动溶液，制成水凝胶备用，在组织打印前，用水凝胶将（1-2）×108/ml体外培养细胞悬浮，使细胞密度达到107/ml。
最后，将上述两步材料加入两个墨盒，由打印机程序控制两个墨盒的组分配比和逐层沉淀及形状工艺。
通过上述方法得到的3d打印的人造肌肉组织，弹性模量为0.40-0.47mp，打印完成后1周内细胞存活率>80%,该材料打印成的人造肌肉组织具有良好的机械性能和生物相容性。
实施例2：将生物3d打印的可降解复合材料用于打印人造综合肌肉腱组织单元。
首先，将聚己二酸乙二醇酯pea、二苯基甲烷二异氰酸酯mdi、1,4-丁二醇bdo以1:4:5的配比组成，将pea通氮气，100℃条件下脱水，加入已干燥的mdi，110℃条件下匀速搅拌2-3h；加入bdo快速搅拌5-15min，停止通氮气，继续反应3-5min，导入模具中110℃真空干燥熟化12h，脱模备用。
然后，将30mg的透明质酸钠ha加入到10ml的dmem培养基中，搅拌过夜，溶液中加入1ml甘油并搅拌1小时，再加入0.3g明胶和0.3g纤维蛋白原1h后，轻轻摇动溶液，制成水凝胶备用，在组织打印前，用水凝胶将（1-2）×108/ml体外培养细胞悬浮，使细胞密度达到107/ml。
最后，将上述两步材料加入两个墨盒，用同样的方法制备水凝胶悬浮nih/3t3成纤维细胞加入到第三个墨盒，聚己酸酯pcl加入到第四个墨盒，并通过四个墨盒的组分配比和逐层沉淀及形状工艺来加工，其中第一、第二两个墨盒逐层沉淀打印形成tpu肌肉侧，四个墨盒逐层打印形成混合区域，第三、第四两个墨盒逐层沉淀打印形成肌腱侧。
通过上述方法得到的3d打印的人造综合肌肉腱组织单元，肌肉侧弹性模量为0.42-0.48mp；混合区弹性模量为1.22-1.34mp，肌腱侧弹性模量为48.21-52.47mp，打印完成后1周内细胞存活率>80%,该材料打印成的人工综合肌肉腱组织单元具有良好的机械性能和生物相容性。
本发明的一种用于生物3d打印的可降解复合材料及其制备方法，热塑性聚氨酯高分子合成材料和水凝胶具有较好的生物相容性；以水凝胶为基础的活性细胞在材料中分布均匀；多种活性细胞在打印一周后仍然在复合材料中保持较高的生物活性；使用的材料无毒可降解；可结合其他硬性材料构建更复杂的人工组织或器官；改变聚氨酯合成工艺中物质和配比可改变机械性能和降解速度，结合多种细胞联合打印可构建不同要求的人工组织器官；本发明的复合材料具有一般水凝胶或胶原等材料缺乏的弹性，是在持续机械刺激和动态环境下仍然具有较好的能够反复的变形和回复的三维高分子构架，在构建人工肌肉、结缔组织等动态组织器官上有很大优势。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。