阅读说明：本技术 一种用于3d打印的水凝胶材料、制备方法及用途 (Hydrogel material for 3D printing, preparation method and application ) 是由 王金武 孙鑫 万克明 杨涵 李涛 马振江 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于3D打印的水凝胶材料、制备方法及用途,该材料包括以下组分：3％-10％明胶、2.5％-7.5％GelMA、2％-5％PEG、1-10mg/ml介孔硅纳米粒子、0.1％-0.3％的光引发剂、0.1μg/ml-1.0μg/ml生物活性组分和负载细胞,上述百分数均为质量体积百分数。本发明提供的用于3D生物打印的水凝胶材料加入了PEG,增加了水凝胶材料的力学特性；将生物活性组分负载于介孔硅纳米粒子中,可改善所述生物活性组分的持续释放,再混入所述的水凝胶材料中用于3D生物打印,使水凝胶能释放所述生物活性组分；且本发明提供的水凝胶材料具有良好的可打印性及细胞相容性。(The invention discloses a hydrogel material for 3D printing, a preparation method and application thereof, wherein the hydrogel material comprises the following components: 3 to 10 percent of gelatin, 2.5 to 7.5 percent of GelMA, 2 to 5 percent of PEG, 1 to 10mg/ml of mesoporous silicon nano-particles, 0.1 to 0.3 percent of photoinitiator, 0.1 to 1.0 mu g/ml of bioactive component and load cells, wherein the percentages are mass volume percentages. PEG is added into the hydrogel material for 3D bioprinting, so that the mechanical property of the hydrogel material is improved; the bioactive component is loaded in the mesoporous silicon nano-particles, so that the sustained release of the bioactive component can be improved, and then the bioactive component is mixed into the hydrogel material for 3D bioprinting, so that the hydrogel can release the bioactive component; the hydrogel material provided by the invention has good printability and cell compatibility.)

一种用于3D打印的水凝胶材料、制备方法及用途

技术领域

本发明涉及生物材料技术领域，具体涉及一种用于3D打印的水凝胶材料、制备方法及用途。

背景技术

3D生物打印是在快速成形技术发展的基础上，结合细胞生物学、计算机辅助设计和生物材料科学等多个领域的结合发展的组织工程技术，其最终目标是实现器官打印。3D生物打印技术能克服传统组织工程技术的局限性，通过精准定位生物材料、生物化学分子和活细胞层间位置，可实现不同密度的种子细胞在不同支架材料中的三维精准定位，在控制功能性成分的空间位置，用于制造三维结构。

在3D生物打印过程中，理想的生物墨水需满足打印过程中对打印速度、分辨率、细胞浓度及液滴体积进行高度控制的要求，此外应具备良好的生物相容性和可降解性，并且还需要在打印过程中及成型后维持适宜的力学强度。因此，目前可用途于3D生物打印的材料较少，其中水凝胶类材料因具有较好的生物材料特性并且与天然组织相似，故被认为是最有潜力的软组织制作材料。水凝胶的组成材料主要包括天然材料和合成材料两大类，天然材料主要包括：明胶、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等；合成材料主要包括：醇、丙烯酸及、聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺等。其中明胶（gelatin）和甲基丙烯酰化明胶（Gelatin methacryloyl，GelMA）为常用的水凝胶材料，具有较好的生物学和材料学特性。

然而目前的水凝胶材料很难满足3D打印的要求，常常出现固化速度、细胞相容性、力学强度等不足。

GelMA是在明胶的侧链上加入甲基丙烯酰氯基团构成的，GelMA可以通过紫外光交联实现固化，有研究表明小于≤5w/v%的GelMA具有较好的稳定性和生物活性，更适合生物打印。然而，低浓度的GelMA粘度较高，固化速度慢、力学特性较差等原因限制了其在3D生物打印中的用途。

发明内容

本发明的目的是针对上述缺陷，提供一种用于3D打印的水凝胶材料、制备方法及用途，该材料解决了低浓度的GelMA在3D打印用途中表现的粘度较高，固化速度慢、力学特性较差的问题，且该材料具有较高的细胞相容性。

本发明提供的一种用于3D打印的水凝胶材料，包括以下组分：3%-10%明胶(gelatin)、2.5%-7.5%甲基丙烯酰化明胶(GelMA)、2%-5%PEG（polyethylene glycol，聚乙二醇）、1-10mg/ml介孔硅纳米粒子(MSNs)、0.1%-0.3%光诱发剂LAP（Lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate，LAP）、0.1μg/ml-1.0μg/ml生物活性组分、负载细胞，上述百分数均为质量体积百分数。

较佳地，所述生物活性组分包含骨形态发生蛋白、转化生长因子、***中、血管内皮生长因子、血小板衍生因子、促血管生成素的至少一种。

较佳地，所述负载细胞包含间充质干细胞、巨噬细胞、内皮细胞中的至少一种。

较佳地，所述介孔硅纳米粒子的粒径范围为80-120nm。

较佳地，一种用于3D打印的水凝胶材料的制备方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：

S1：在避光条件下，将2.5%-7.5%的GelMA加入10ml去离子水中，40℃条件下充分溶解；

S2：加入3%-10%的明胶，在40℃条件下充分搅拌混匀，搅拌时间为1~2小时；

S3：再加入2%-5%的PEG，在40℃条件下充分搅拌混匀，搅拌时间为1~2h；

S4：加入0.1%-0.3%的光引发剂，在40℃条件下充分搅拌混匀, 搅拌时间可为1~2h,得到混合水凝胶；

S5：将生物活性组分溶于PBS溶液，得到终浓度为0.1μg/ml-1.0μg/ml的生物活性组分溶液；

S6：将介孔硅纳米粒子溶于生物活性组分溶液中，使得介孔硅纳米粒子终浓度为1-10mg/ml，避光室温下搅拌24小时，离心后收集沉淀，得到负载生物活性组分的纳米颗粒；

S7：将所述负载生物活性组分的纳米颗粒加入到所述混合水凝胶中，在37℃条件下充分搅拌混匀，搅拌时间为1~2小时，得到生物墨水；

S8：向S7所得的生物墨水中加入负载细胞，吹打混匀，得到用于3D生物打印的水凝胶材料。

较佳地，所述负载细胞的数量为1×10⁶个/ml~1×10⁸个/ml。

一种用于3D生物打印的水凝胶材料的用途，该水凝胶材料用作3D生物打印的打印材料。

较佳地，所述的3D生物打印，打印喷头温度为10~20℃，打印平台温度比打印喷头温度低2~5℃。

较佳地，所述的3D生物打印还包含，待打印完成后，使用波长为365 nm, 强度为0.5 w/cm²的蓝光照射1~2分钟，得到水凝胶支架。

较佳地，所述的水凝胶支架用于骨缺损修复和/或成血管修复。

本发明的有益效果：

综上所述，本发明提供的一种用于3D生物打印的水凝胶材料，将gelatin和低浓度GelMA混合，解决了低浓度GelMA的固化速度慢的问题。本发明首先通过降低温度调控gelatin的固化性能，实现了水凝胶材料的快速固化，有助于细胞早期粘附；随后，通过紫外照射使GelMA不可逆的固化，维持支架结构；最后随着温度升高，gelatin溶解，仅留低浓度的GelMA用于细胞增殖分化。且本发明提供的用于3D生物打印的水凝胶材料加入了PEG，增加了水凝胶材料的力学特性；本发明将生物活性组分负载于介孔硅纳米粒子中，可改善所述介孔硅纳米粒子持续释放生物活性组分，再混入所述的水凝胶材料中用于3D生物打印；并且本发明提供的水凝胶材料具有良好的细胞相容性。

附图说明

图1为本发明的实施例1所得的用于3D生物打印的水凝胶支架图。

图2为本发明的实施例1所得的用于3D生物打印的水凝胶的力学特性曲线。

图3为本发明的实施例1所得的用于3D生物打印的水凝胶材料的细胞毒性检测图。

图4为本发明实施例中采用的介孔纳米硅粒子的电镜图。

图5为本发明实施例中生物活性组分的释放率检测图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例的提供的一种用于3D打印的水凝胶材料，包括以下组分：3%明胶、5%GelMA、2%PEG、4mg/ml介孔硅纳米粒子、0.2%的光引发剂、0.4μg/ml生物活性组分和负载细胞，，上述百分数均为质量体积百分数。

本实施例中所述生物活性组分为BMP-4（骨形态发生蛋白-4）。

本实施例中所述负载细胞为骨髓间充质干细胞和巨噬细胞细胞系。

所述介孔硅纳米粒子的粒径范围为80-120nm，如图4所示，为本实施例采用的介孔硅纳米粒子的电镜图。

具体地，如图5所示，本发明在体外实验中，将0.1μg/ml BMP-4与1mg/ml 介孔硅纳米粒子(MSNs)混合后，在不同时间点检测BMP-4在介孔硅纳米粒子(MSNs)中的释放情况，最终计算累计释放率，结果表明，第1-7天BMP-4的累计释放率持续增加，说明本实施例中，将所述生物活性组分BMP-4负载于介孔硅纳米粒子中，可改善生物活性组分BMP-4的持续释放。

所述负载细胞的数量为1×10⁶个/ml~1×10⁸个/ml。

该水凝胶材料用作3D生物打印的打印材料。

所述的3D生物打印，打印喷头温度为10~20℃，打印平台温度比打印喷头温度低2~5℃。

所述的3D生物打印还包含，待支架打印完成后，使用波长为365 nm, 强度为0.5w/cm²的蓝光照射1~2分钟。

如图1所示，为本实施例的一种用于3D打印的水凝胶支架图，该材料的制备方法包含如下步骤：

S1：在避光条件下，将5%的GelMA加入10ml去离子水中，40℃条件下充分溶解；

S2：加入3%的明胶，在40℃条件下充分搅拌混匀，搅拌时间可为1小时；

S3：再加入2%的PEG，在40℃条件下充分搅拌混匀，搅拌时间可为1小时；

S4：加入0.2%的光引发剂，在40℃条件下充分搅拌混匀, 搅拌时间可为1小时,得到混合水凝胶；

S5：将BMP-4溶于PBS溶液，得到终浓度为0.4μg/ml的BMP-4溶液；

S6：将介孔硅纳米粒子溶于BMP-4溶液中，使得介孔硅纳米粒子终浓度为4mg/ml，避光室温下搅拌24小时，经8000rpm，8分钟离心后，收集上清液，得到负载BMP-4的纳米颗粒；

S7：将所述负载生物活性组分的纳米颗粒加入到所述混合水凝胶中，在37℃条件下充分搅拌混匀，搅拌时间为1小时，得到生物墨水；

S8：向S7所得的生物墨水中加入10⁶个/ml巨噬细胞细胞系和10⁷个/ml骨髓间充质干细胞，得到本实施例用于3D生物打印的水凝胶材料。

S9：使用气动挤压式3D打印机，将S8步骤得到的3D生物打印的水凝胶材料进行3D打印。所述的3D生物打印，打印喷头温度为10~20℃，打印平台温度比打印喷头温度低2~5℃。所述的3D生物打印还包含，待打印完成后，使用波长为365 nm, 强度为0.5 w/cm²的蓝光照射1~2分钟，得到水凝胶支架。

本实施例得到的水凝胶支架用于骨缺损修复。

具体地，所有操作在无菌避光环境中进行。

具体地，在S8步骤中加入不同细胞具有不同效果，干细胞在不同因子的诱导下可分化成不同的细胞；巨噬细胞是炎症细胞。与常规的进行完3D打印之后再加入细胞的方法相比，本发明于S8步骤中向生物墨水加入细胞，可以增加所述水凝胶材料含有的细胞量，细胞均匀混合在所述生物墨水中再进行3D打印，可精确控制细胞在所述水凝胶材料的均匀分布。

一方面，将本实施例得到的水凝胶材料取直径1CM*高2CM的样品用于力学测试，力学强度曲线如图2所示，本实施例得到的用于3D生物打印的水凝胶材料的力学压缩强度可达到200kPa，本实施例得到的用于3D生物打印的水凝胶材料具有良好的力学强度。

另一方面，以10⁶个/ml巨噬细胞细胞系和10⁷个/ml骨髓间充质干细胞为对照组，以本实施例得到的用于3D生物打印的水凝胶材料为实验组，以CCK8试剂盒进行细胞毒性检测，向实验组和对照组分别加入10%CCK-8试剂后，37℃孵育2小时，在450nm处测定吸光度，结果如图3所示，结果表明：实验组和对照组细胞毒性无统计学差异，证明本实施例得到的用于3D生物打印的水凝胶材料的细胞相容性较好。

实施例2

基于实施例1中所述的生物墨水的另一个具体应用实施例，向实施例1中所述的生物墨水添加内皮细胞，可用于成血管。

本实施例的提供的一种用于3D打印的水凝胶材料，包括以下组分：3%明胶、5%GelMA、2%PEG、4mg/ml介孔硅纳米粒子、0.2%的光引发剂、0.4μg/ml生物活性组分和负载细胞，上述百分数均为质量体积百分数。

本实施例中所述生物活性组分为血管内皮生长因子。

本实施例中所述负载细胞为内皮细胞, 内皮细胞是促进成血管的细胞。

所述介孔硅纳米粒子的粒径范围为80-120nm。

所述负载细胞的数量为1×10⁶个/ml~1×10⁸个/ml。

该水凝胶材料用作3D生物打印的打印材料。

所述的3D生物打印，打印喷头温度为10~20℃，打印平台温度比打印喷头温度低2~5℃。

所述的3D生物打印还包含，待支架打印完成后，使用波长为365 nm, 强度为0.5w/cm2的蓝光照射1~2分钟。

本实施例中水凝胶材料的制备方法包含如下步骤：

S1：在避光条件下，将5%的GelMA加入10ml去离子水中，40℃条件下充分溶解；

S2：加入3%的明胶，在40℃条件下充分搅拌混匀，搅拌时间可为1小时；

S3：再加入2%的PEG，在40℃条件下充分搅拌混匀，搅拌时间可为1小时；

S4：加入0.2%的光引发剂，在40℃条件下充分搅拌混匀, 搅拌时间可为1小时,得到混合水凝胶；

S5：将BMP-4溶于PBS溶液，得到终浓度为0.4μg/ml的BMP-4溶液；

S6：将介孔硅纳米粒子溶于BMP-4溶液中，使得介孔硅纳米粒子终浓度为4mg/ml，避光室温下搅拌24小时，经8000rpm，8分钟离心后，收集上清液，得到负载BMP-4的纳米颗粒；

S7：将所述负载生物活性组分的纳米颗粒加入到所述混合水凝胶中，在37℃条件下充分搅拌混匀，搅拌时间为1小时，得到生物墨水；

S8：向S7所得的生物墨水中加入1×10⁷个/ml内皮细胞，得到本实施例用于3D生物打印的水凝胶材料。

S9：，使用气动挤压式3D打印机，将S8步骤得到的3D生物打印的水凝胶材料进行3D打印。所述的3D生物打印，打印喷头温度为10~20℃，打印平台温度比打印喷头温度低2~5℃。所述的3D生物打印还包含，待打印完成后，使用波长为365 nm, 强度为0.5 w/cm²的蓝光照射1~2分钟，得到水凝胶支架。

本实施例得到的水凝胶支架用于成血管修复。

综上所述，本发明提供的一种用于3D生物打印的水凝胶材料，将gelatin和低浓度GelMA混合，解决了低浓度GelMA的固化速度慢的问题。本发明首先通过降低温度调控gelatin的固化性能，实现了水凝胶材料的快速固化，有助于细胞早期粘附；随后，通过紫外照射使GelMA不可逆的固化，维持支架结构；最后随着温度升高，gelatin溶解，仅留低浓度的GelMA用于细胞增殖分化。且本发明提供的用于3D生物打印的水凝胶材料加入了PEG，增加了水凝胶材料的力学特性；本发明将生物活性组分负载于介孔硅纳米粒子中，可改善所述生物活性组分的持续释放，再混入所述的水凝胶材料中用于3D生物打印，使水凝胶能释放所述生物活性组分；且本发明提供的水凝胶材料具有良好的可打印性和细胞相容性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。