本發(fā)明涉及3D打印材料領(lǐng)域，特別是涉及一種3D打印生物紙及其制備方法和用途。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)數(shù)控制造一般是在原材料基礎(chǔ)上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產(chǎn)品。而3D打印是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層堆疊累積的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)，因此也稱為“增材制造”(additive manufacturing)。3D打印無(wú)需原胚和模具，就能直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)生成任何形狀的物體，簡(jiǎn)化產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)品的研制周期，提高效率并降低成本。
3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)，實(shí)際上是快速成型領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)從概念的提出到現(xiàn)在已經(jīng)有30多年的發(fā)展歷史。隨著技術(shù)、設(shè)備的日趨成熟，3D打印開(kāi)始走進(jìn)大眾的視野并迅速成為制造業(yè)的新寵。而對(duì)醫(yī)療界而言，3D打印技術(shù)預(yù)示著一場(chǎng)醫(yī)學(xué)新革命或?qū)?lái)臨。從仿真醫(yī)療模型、生物醫(yī)療器械，到更具個(gè)性化的移植組織或氣管、更具潛力的生物高分子材料，都將聚攏于3D打印麾下。
生物打印是3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，用以制造活組織和活器官，其在組織工程中的應(yīng)用已然成為最熱門(mén)的研究課題之一。2009年底，澳大利亞Invetech公司和美國(guó)Organovo公司宣布攜手研制出了全球首臺(tái)商業(yè)化3D生物打印機(jī)，打印機(jī)有兩個(gè)打印頭，一個(gè)放置最多達(dá)8萬(wàn)個(gè)人體細(xì)胞，被稱為“生物墨”；另一個(gè)可打印“生物紙”。所謂生物紙的主要成分是水凝膠，可用作細(xì)胞生長(zhǎng)的支架。
基于生物大分子的水凝膠含水量高，力學(xué)性質(zhì)與軟組織相似，具有良好的生物相容性、輸送養(yǎng)分和排泄代謝物的高效性以及包裹細(xì)胞的強(qiáng)大能力，這些特點(diǎn)使其被廣泛地用于構(gòu)建組織工程支架、藥物緩釋體系等。
生物打印可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制，制成與人體組織高度匹配的“零件”，用于復(fù)雜骨科手術(shù)、顱骨修復(fù)、小耳畸形修復(fù)和口腔正畸等。科學(xué)家的最大的雄心便在于打印出心、肝臟等人體器官以解決全球日益增多等待器官移植患者的需求。大多數(shù)器官的結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜，常常由幾十種不同的細(xì)胞組成并發(fā)揮著各種不同的功能，以肝臟為例，其所發(fā)揮的生物學(xué)功能多達(dá)500種。從技術(shù)上講，通過(guò)沿Z軸逐層打印細(xì)胞的的3D打印機(jī)可以“搭建”出由細(xì)胞“疊成”的組織或器官，但從生物學(xué)角度說(shuō)，若想這些組織或器官適用于人體移植，則需要考慮如何將不同類型的細(xì)胞“打印”至適當(dāng)?shù)奈恢?，以使其像胚胎一樣逐漸發(fā)育成所想要的組織或器官；還要考慮如何為這些細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣，即如何建造一個(gè)血液循環(huán)系統(tǒng)。
如今3D打印和應(yīng)用于組織工程的水凝膠材料都發(fā)展到了一定的階段，如何把兩者融合到一起完成生物打印，便成了一個(gè)新的問(wèn)題。生物打印技術(shù)方興未艾，而大部分應(yīng)用材料還停留在基礎(chǔ)研究階段，既要考慮材料的物理化學(xué)及生物學(xué)性能，還需要解決“打印”成型的問(wèn)題，離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種3D打印生物紙及其制備方法和用途，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明第一方面提供一種3D打印生物紙，其原料按重量份計(jì)，包括如下組分：
優(yōu)選的，所述膠原蛋白為I型膠原蛋白。
在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述I型膠原蛋白為Sigma的C-9879膠原蛋白I型。
優(yōu)選的，所述海藻多糖為褐藻多糖。
優(yōu)選的，所述溫敏性聚合物選自PDMAEMA(聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯)、PNIPAM(聚(N-異丙基丙烯酰胺))、PMEMA(N－乙基嗎啉甲基丙烯酸酯)、聚N-異丙基丙烯酰胺類、PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物以及具有溫變性的改性天然高分子中的一種或多種的組合。
更優(yōu)選的，所述溫敏性聚合物選自PDMAEMA(聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯)、PNIPAM(聚(N-異丙基丙烯酰胺))、PMEMA(N－乙基嗎啉甲基丙烯酸酯)中的一種或多種的組合。
進(jìn)一步優(yōu)選的，所述PDMAEMA數(shù)均分子量為20000-50000，PNIPAM數(shù)均分子量為30000-50000，PMEMA數(shù)均分子量為60000-80000。
優(yōu)選的，所述生物大分子選自天冬酰胺、復(fù)合多糖、纖維素、透明質(zhì)酸、殼聚糖、海藻酸類天然高分子及其改性物中的一種或多種的組合。
更優(yōu)選的，所述復(fù)合多糖可選用各種市售的復(fù)合多糖，具體可選用的復(fù)合多糖包括但不限于猴頭菇多糖，香菇多糖、銀耳多糖、茯苓多糖、蟲(chóng)草多糖、柏樹(shù)菌多糖、云芝多糖、豬苓多糖、蜜環(huán)菌多糖、靈芝多糖等的一種或多種的組合。
更優(yōu)選的，所述纖維素可選用各種市售的纖維素，具體可選用的纖維素包括但不限于多聚合纖維素，木質(zhì)素纖維，甲基纖維素，羥丙甲基纖維素，羥乙基纖維素，羧甲基纖維素等的一種或多種的組合。在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述纖維素為羥丙甲基纖維素2910型。
更優(yōu)選的，所述海藻酸類天然高分子及其改性物選自海藻酸鈉、海藻酸銨、海藻精濃縮液、海藻酸鉀、海藻精粉劑等中的一種或多種的組合。
所述透明質(zhì)酸和殼聚糖可選用各種市售的透明質(zhì)酸和殼聚糖，在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述透明質(zhì)酸的數(shù)均分子量：10000-50000，殼聚糖的數(shù)均分子量：40000-80000。
優(yōu)選的，所述光聚引發(fā)劑為硝苯地平。
優(yōu)選的，所述細(xì)胞生長(zhǎng)因子選自T細(xì)胞生長(zhǎng)因子、EGF表皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子等的一種或多種的組合，所述營(yíng)養(yǎng)組分選自氨基酸、核苷酸和維生素中的一種或多種的組合。
在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述細(xì)胞生長(zhǎng)因子為EGF表皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子，所述營(yíng)養(yǎng)組分為N—乙酰蛋氨酸。
優(yōu)選的，所述交聯(lián)劑選自聚乙烯、聚氯乙烯、氯化聚乙烯、EVA、聚苯乙烯乙丙橡膠、各種氟橡膠、CPE等特種橡膠等的一種或者多種。
更優(yōu)選的，所述交聯(lián)劑為線性低密度聚乙烯，密度為0.918～0.935g/cm3。
優(yōu)選的，按重量份計(jì)，還包括0.5-1份調(diào)節(jié)劑，所述調(diào)節(jié)劑選自生長(zhǎng)素、赤霉素、乙烯、細(xì)胞分裂素、脫落酸、蕓薹素內(nèi)酯、胺鮮酯(DA-6)、氯吡脲(KT-30)、復(fù)硝酚鈉、6-BA、細(xì)胞分裂素、α-萘乙酸鈉、5-硝基愈創(chuàng)木酚鈉、吲哚丁酸等的一種或多種的組合。
在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述調(diào)節(jié)劑為赤霉素。
本發(fā)明第二方面提供所述3D打印生物紙的制備方法，具體為：將各組分混合并充分?jǐn)嚢韬螅?5-100℃干燥即得所述3D打印生物紙。
本發(fā)明第三方面提供所述3D打印生物紙?jiān)?D生物打印中的用途。
本發(fā)明公開(kāi)了一種3D打印生物紙及其制備方法和用途。本發(fā)明所提供的3D打印生物紙屬于水凝膠材料中的一種，3D生物打印時(shí)易于成型，其具體包括水，膠原蛋白，花生四烯酸，海藻多糖，溫敏性聚合物和生物大分子，并含有細(xì)胞生長(zhǎng)因子及營(yíng)養(yǎng)組分。本發(fā)明的3D打印生物紙具有良好的力學(xué)性質(zhì)，并可包裹細(xì)胞，此外，還具有良好的細(xì)胞黏附性、生物降解性好、安全無(wú)毒，且能夠配合相應(yīng)的技術(shù)設(shè)備。
具體實(shí)施方式
以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
須知，下列實(shí)施例中未具體注明的工藝設(shè)備或裝置均采用本領(lǐng)域內(nèi)的常規(guī)設(shè)備或裝置。
此外應(yīng)理解，本發(fā)明中提到的一個(gè)或多個(gè)方法步驟并不排斥在所述組合步驟前后還可以存在其他方法步驟或在這些明確提到的步驟之間還可以插入其他方法步驟，除非另有說(shuō)明；還應(yīng)理解，本發(fā)明中提到的一個(gè)或多個(gè)設(shè)備/裝置之間的組合連接關(guān)系并不排斥在所述組合設(shè)備/裝置前后還可以存在其他設(shè)備/裝置或在這些明確提到的兩個(gè)設(shè)備/裝置之間還可以插入其他設(shè)備/裝置，除非另有說(shuō)明。而且，除非另有說(shuō)明，各方法步驟的編號(hào)僅為鑒別各方法步驟的便利工具，而非為限制各方法步驟的排列次序或限定本發(fā)明可實(shí)施的范圍，其相對(duì)關(guān)系的改變或調(diào)整，在無(wú)實(shí)質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容的情況下，當(dāng)亦視為本發(fā)明可實(shí)施的范疇。
實(shí)施例中所使用的各原料信息如下：
實(shí)施例1
3D打印生物紙的質(zhì)量百分含量配比為：
水80份，膠原蛋白30份，花生四烯酸20份，海藻多糖10份，溫敏性聚合物PDMAEMA8份，復(fù)合多糖(生物大分子)8.5份，細(xì)胞生長(zhǎng)因子及營(yíng)養(yǎng)組分1份(細(xì)胞生長(zhǎng)因子和營(yíng)養(yǎng)組分的比例為1：1)，光聚合引發(fā)劑1份，交聯(lián)劑1份，調(diào)節(jié)劑0.5份。將各原料混合，充分?jǐn)嚢韬?5-100℃干燥即得所述3D打印生物紙。
實(shí)施例2
3D打印生物紙的質(zhì)量百分含量配比為：
水85份，膠原蛋白35份，花生四烯酸25份，海藻多糖15份，溫敏性聚合物PNIPAM 5份，透明質(zhì)酸(生物大分子)6.5份，細(xì)胞生長(zhǎng)因子及營(yíng)養(yǎng)組分1份(細(xì)胞生長(zhǎng)因子和營(yíng)養(yǎng)組分的比例為1：0.8)，光聚合引發(fā)劑1份，交聯(lián)劑1份，調(diào)節(jié)劑0.5份。將各原料混合，充分?jǐn)嚢韬?5-100℃干燥即得所述3D打印生物紙。
實(shí)施例3
3D打印生物紙的質(zhì)量百分含量配比為：
水86.5份，膠原蛋白40份，花生四烯酸30份，海藻多糖20份，溫敏性聚合物PDMAEMA5份，纖維素(生物大分子)5份，細(xì)胞生長(zhǎng)因子及營(yíng)養(yǎng)組分1份(細(xì)胞生長(zhǎng)因子和營(yíng)養(yǎng)組分的比例為1：1.2)，光聚合引發(fā)劑1份，交聯(lián)劑1份，調(diào)節(jié)劑0.5份。將各原料混合，充分?jǐn)嚢韬?5-100℃干燥即得所述3D打印生物紙。
通過(guò)QBT 1012-2010的方法對(duì)實(shí)施例1-3所得的3D打印生物紙進(jìn)行性能檢測(cè)，具體結(jié)果如表1所示：
表1
綜上所述，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。