一种神经生物打印墨水及其制备方法和应用

本发明涉及生物医学，具体涉及一种神经生物打印墨水及其制备方法和应用。

背景技术：

1、人类神经系统是由大脑、脊髓和周围神经组成的一种极为复杂、精确的结构。它在人体的生理调节和功能中起着至关重要的作用，包括认知功能，协调和神经信号(传入和传出)整合。如此重要的结构同时也很脆弱，极易受到损伤(如中风、阿尔兹海默症、帕金森病、肌肉萎缩硬化症等)。自2015年至今，神经性疾病影响了无数人民，同样的花费在相关医疗保健品上的费用更是难以估量。目前神经自体移植和部分用于修复和重建神经系统的药物治疗已经被广泛使用，但由于固有再生能力极弱以及中枢神经相关的纤维化，导致结果仍然不令人满意。因此开发一种促进神经再生恢复神经功能的治疗方法显得尤为迫切、重要。

2、最近，3d生物打印技术作为一套有价值的组织工程技术，在制造复杂和可定制的人工组织支架方面显现出巨大的前景。3d生物打印提供了前所未有的多功能性，可以精确控制细胞和生物材料的组成，空间分布等，从而实现对目标组织和器官的精细形状，结构个性化概括。

3、lee等人是第一组实施用于制造基于胶原蛋白的神经组织的3d生物打印方法人之一[lee,y.b.et al.(2010)bio-printing of collagen and vegf-releas-ing fibringel scaffolds for neural stem cell culture.exp.neurol.223,645-652]。通过涉及将碳酸钠作为雾状气溶胶施加到酸性胶原层的ph敏感机制印刷和交联胶原前体。在每个胶原层之间打印细胞悬浮液以构建3d神经细胞-水凝胶复合材料。应用类似的策略，lee等人后来证明了一种新型的多水凝胶3d模型，用于通过在印刷的水凝胶层之间夹杂生长因子将水溶性生长因子递送到封装的细胞。观察到在血管内皮生长因子(vegf)释放的纤维蛋白凝胶附近打印的小鼠神经细胞比不含vegf的纤维蛋白凝胶显示出更明显的形态变化和迁移。该工作证明生物打印是将生长因子整合到人工神经组织中的有用方法。

4、lozano等人开发了一种用于工程3d脑样结构的手持式反应打印技术，以促进更好地理解创伤性脑损伤和神经退行性疾病[lozano,r.et al.(2015)3d printing oflayered brain-like structures using peptide modified gellan gumsubstrates.biomaterials 67,264-273]。他们引入了一种新墨水，其中初级皮质神经细胞封装在用rgd肽修饰地gellan胶中。发现神经细胞在整个印刷结构中仍然可行，并进一步显示的形态与分化神经元的形态一致。

5、3d打印疾病模型：

6、为了推进神经组织中肿瘤发生和抗癌药物敏感性的持续研究，dai等人建议使用基于干细胞的胶质瘤模型[dai,x.et al.(2016)3d bioprinted glioma stem cells forbrain tumor model and applications of drug susceptibility.biofabrication 8,045005]。选择明胶、海藻酸盐和纤维蛋白原的组合作为生物墨水来包封胶质瘤干细胞来进行3d生物打印肿瘤基质。在打印后细胞保持其固有特性，并发现在3周内生长成球形，抛开周围的水凝胶并反应体内肿瘤生长。相比于传统的2d方法,3d生物打印模型显示出更多的耐药性，从而更密切地复制体内肿瘤微环境；

7、2011年，han等人证明了通过从ipscs生成患者特异性细胞系来开发个性化疾病模型地可能性[han,s.s.et al.(2011)constructing and deconstructing stem cellmodels of neurological disease.neuron 70,626-644]。

8、而3d打印神经组织的关键因素是适用于3d生物打印的原材料，即生物墨水，构建体外神经模型可以用于研究神经性疾病的机制、药物测试等。

9、现有的神经性疾病的研究方式或是治疗方法多为采用自体神经移植以及通过神经组织工程结合复杂的仿生支架和干细胞来改善治疗，但是由于自体移植资源的有限性、中枢神经纤维化以及仿生支架低精度、制作繁琐、高成本的问题导致到目前为止仍没有较好的神经性疾病的研究和治疗方式。而3d打印技术通过计算机辅助设计(cad)，因此能够打印出更加复杂、高精度的3d架构，3d打印的出现为人工器官打印和再生医学提供了巨大的前景。生物墨水的开发选择在3d打印技术研究中起着举足轻重的作用。但是基于3d生物打印技术个性化定制体外神经模型仍处于初级阶段，传统水凝胶生物墨水存在挤出困难、机械性能差、生物相容性差等缺点。目前大部分的生物墨水很少有在既拥有良好的生物相容性的同时又能够有良好的打印性能和机械性能。并且针对于神经性生物墨水的研究和开发更是少之又少。同时截至目前，大部分的药物测试和研究都是基于动物模型或是二维的细胞模型，这些模型都与人体有着显著性的差异，不同媒介的发病机理不同、诱导方式也不一致。有的药物适用于动物或是二维细胞模型却不一定适用于人体，因此会导致实验结果的不准确，并且处于道德伦理的考虑，使用动物模型进行实验也是越来越不被鼓励。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题之一在于如何制备一种适合用于3d打印且能促进神经细胞增殖、分化的生物墨水以解决传统方法效率低下等问题。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题：

3、一种神经生物打印墨水的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、将甲基丙烯酸酐化明胶溶于dmem完全培养基中，加入光引发剂溶液获得gelma溶液；

5、s2、将pbs缓冲液、naoh溶液与dmem完全培养基进行混合，加入胶原蛋白溶液混合均匀得到胶原蛋白混合溶液；

6、s3、将gelma溶液与胶原蛋白混合溶液混合得到所述神经生物打印墨水；其中，所述神经生物打印墨水中，甲基丙烯酸酐化明胶的质量体积浓度为5-20％，光引发剂的质量体积浓度为0.1-1％，胶原蛋白的浓度为1-3mg/ml。

7、有益效果：本发明中，含有甲基丙烯酸酐化明胶的浓度为5％-20％，光引发剂的浓度为0.1％-1％，胶原蛋白的浓度为1-3mg/ml制备的生物打印墨水，有利于细胞的增殖、分化，细胞的存活率较高，打印的机械性能良好，能够为后期进行体外药物测试打下稳固的基础。

8、优选地，在s1中，所述甲基丙烯酸酐化明胶的质量与dmem完全培养基的体积比为0.1g：500μl。

9、优选地，在s1中，所述光引发剂溶液为lap的dmso溶液；所述光引发剂的质量体积浓度为20％。

10、优选地，在s2中，所述pbs缓冲液为含酚红的pbs缓冲液，且浓度为100x；所述naoh溶液的浓度为0.1mol/ml；所述胶原蛋白溶液为胶原蛋白的冰醋酸溶液，且胶原蛋白的浓度为10mg/ml。

11、优选地，在s3中，甲基丙烯酸酐化明胶的质量体积浓度为5％，光引发剂的质量体积浓度为0.5％，胶原蛋白的浓度为3mg/ml。

12、本发明还提出一种神经生物打印墨水，采用所述的神经生物打印墨水的制备方法制备而成。

13、本发明还提出一种所述的神经生物打印墨水在3d打印体外神经组织模型中的应用。

14、本发明还提出一种体外神经组织模型，采用所述的神经生物打印墨水与神经细胞混合后打印、固化、培养而成。

15、本发明还提出了一种所述体外神经组织模型的制备方法，包括以下步骤：

16、(1)将所述神经生物打印墨水和神经细胞装入装有打印针头的针筒中，并将针筒转装载至3d打印机内；

17、(2)调节打印温度，调节3d打印机的挤出压力；

18、(3)使用计算机软件biocad按需设计组织的样式；

19、(4)按设计的样式进行打印；

20、(5)将打印的组织收集并置于408nm的uv光源下进行固化；

21、(6)固化完成后，将组织在培养基进行培养得到所述体外神经组织模型。

22、优选地，在培养过程中，定期更换培养基。

23、本发明还提出一种所述的体外神经组织模型在药物药效测试或药物筛选或疾病机制研究中的应用。

24、优选地，所述药物为治疗帕金森类疾病的药物。

25、本发明的优点在于：

26、(1)本发明提供了一种新型的神经性生物墨水，其采用了新的材料、新的配比，在有着良好打印性能、机械性能的同时，拥有良好的生物相容性并且又能够不损伤细胞，在一定程度上能够促进神经细胞的分化、增殖。

27、(2)本发明利用3d生物打印技术克服了传统制造方法无法制造复杂结构的缺点，其能够按照精确的设计和要求，将生物材料打印成复杂的结构和形状并且在时间、成本、人力资源上的花费都大大的减少。

28、(3)本发明提供的一种新型神经性生物墨水打印的架构能够为研究人员和技术人员提供一个创新平台，使其能够在生物医学领域开展新的医学研究，如：疾病机制、药物筛选、组织工程和再生医学等领域，从而更好地推动科学的进步和发展。

29、(4)目前的药物测试多用于动物实验或是普通二维细胞实验，而动物模型、普通的二维模型与人体存在着明显的差异性，采用本发明打印的模型能够有效、便捷的对神经性疾病进行三维测试，能够提高药物测试的效率。