一种3D生物打印的工程化绿藻活性材料及其制备方法

本发明涉及抗肿瘤，具体涉及一种3d生物打印的工程化绿藻活性材料及其制备方法。

背景技术：

1、光动力治疗(photodynamic therapy,pdt)是一种基于光化学反应的治疗技术，其基本要素是氧、光敏剂和光：光敏剂在特定波长激发光的作用下，从基态转变为激发态，之后与氧分子反应产生活性氧物质(如单线态氧1o2)，后者与邻近的生物分子(如蛋白质、脂质或dna)相互作用产生毒性光化学产物，进而诱导细胞凋亡及局部微血管损伤。作为有别于手术、放疗、化疗等传统癌症治疗手段的光敏治疗技术，pdt具有优异的物理靶向性、无耐药性、创伤小、作用时间短等优点，已被广泛用于浅表性膀胱癌、肺癌、食管癌和皮肤癌等疾病的临床治疗。

2、然而，目前临床批准的光敏剂多以可见光为激发光源，组织穿透能力有限，制约了pdt在深层肿瘤治疗上的应用。此外，恶性肿瘤在失控性生长过程中极易因血管功能异常及供血不足产生乏氧状态。乏氧是大多数实体肿瘤，尤其是距离血管较远的肿瘤区域的重要特征。pdt作为一种有氧气参与的光敏反应，其疗效强烈依赖于组织内的氧含量，导致pdt对乏氧肿瘤疗效十分有限。另外，pdt作用过程中氧气的大量消耗及肿瘤血管损伤导致肿瘤部位氧气供应的阻断会进一步降低pdt疗效。因此，提供一种适用于乏氧肿瘤pdt治疗的材料，提高pdt对深层、乏氧肿瘤的临床疗效迫在眉睫。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种3d生物打印的工程化绿藻活性材料，以解决现有pdt技术难于在乏氧肿瘤区进行治疗的技术难题。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种3d生物打印的工程化绿藻活性材料，该活性材料包括层叠设置的若干复合层，所述复合层包括：载体层、及其上方的生物墨水层；所述载体层与所述生物墨水层的质量比为1:1-1:2；所述生物墨水层包括：水凝胶、培养基、及上转换纳米材料修饰的绿藻细胞；其中，上转换纳米材料的发射波长在绿藻细胞叶绿体的激发波长范围内。

3、优选地，所述上转换纳米材料为氨基化的nayf4:yb/er。

4、优选地，所述绿藻细胞包括小球藻细胞、螺旋藻细胞、铜绿微囊藻细胞中的至少一种。

5、优选地，所述上转换纳米材料与绿藻细胞的质量比为1:25-1:10。

6、优选地，所述水凝胶由甲基丙烯酸化明胶、海藻酸钠、透明质酸中的至少一种制成。

7、优选地，所述载体层由聚己内酯和/或聚乳酸制成。

8、本发明还提供了上述3d生物打印的工程化绿藻活性材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

9、步骤1，制备生物墨水前体：将水凝胶与培养基混合均匀，得到水凝胶-培养基混合体；对所述水凝胶-培养基混合体进行0.22μm微孔滤膜过滤除菌，加入绿藻细胞得到生物墨水前体；其中，水凝胶与培养基的质量比为1:5-1:50；绿藻细胞的终浓度为0.1-10×107个/ml；

10、步骤2，3d打印生物墨水层及载体层：调整生物墨水前体粘度；分别将载体材料与生物墨水前体装入3d打印机的两个料筒内，逐层交替打印生物墨水层及载体层；

11、步骤3，光照使生物墨水层与载体层交联，得到3d生物打印的工程化绿藻活性材料。

12、优选地，步骤1中，灭菌处理的方法为：使水凝胶-培养基混合体通过0.22μm微孔滤膜进行过滤除菌。

13、优选地，步骤2中，所述的生物墨水前体的粘度为1-20pas。

14、优选地，步骤3中，生物墨水层与载体层的交联方法为：将载体层和生物墨水层浸没于氯化钙溶液中，添加光引发剂苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐，蓝光照射10-60s。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

16、(1)本发明提供了一种3d生物打印的工程化绿藻活性材料，该材料包含上转换纳米材料修饰的绿藻细胞，在近红外光照条件下，本发明的工程化绿藻活性材料产生如下反应：

17、①上转换纳米材料被近红外光(980nm)激发出可见光(660nm)，供绿藻光合作用产生氧气；

18、②绿藻内的叶绿素a(光敏剂)被上述可见光激发为激发态，与上述氧气反应，产生活性氧物质(如单线态氧1o2)，该活性氧物质再与癌细胞作用产生毒性光化学产物，诱导癌细胞凋亡，从而解决了现有pdt技术难于在乏氧肿瘤区进行治疗的技术难题。

19、(2)本发明上转换纳米材料与绿藻细胞间具有协同作用。本发明的上转换纳米材料为氨基化的nayf4:yb/er，该上转换纳米材料经近红外光激发产生的可见光光段(660nm)恰好适用于叶绿素a的激发。

20、(3)本发明以甲基丙烯酸化明胶、海藻酸钠、透明质酸等材料作为生物墨水层的成分，这些材料具有较好的生物相容性，制出的工程化绿藻活性材料植入体内后不会产生排斥反应。

21、(4)本发明以聚己内酯(polycaprolactone,pcl)和聚乳酸(polylactic acid,pla)作为载体层，此两种材料具有生物降解性，植入体内后能够降解排出，无毒性残留。

技术特征：

1.一种3d生物打印的工程化绿藻活性材料，其特征在于，包括层叠设置的若干复合层，所述复合层包括：载体层、及其上方的生物墨水层；所述载体层与所述生物墨水层的质量比为1:1-1:2；

2.如权利要求1所述的3d生物打印的工程化绿藻活性材料，其特征在于，所述上转换纳米材料为氨基化的nayf4:yb/er。

3.如权利要求1所述的3d生物打印的工程化绿藻活性材料，其特征在于，所述绿藻细胞包括小球藻细胞、螺旋藻细胞、铜绿微囊藻细胞中的至少一种。

4.如权利要求1所述的3d生物打印的工程化绿藻活性材料，其特征在于，所述上转换纳米材料与绿藻细胞的质量比为1:25-1:10。

5.如权利要求1所述的3d生物打印的工程化绿藻活性材料，其特征在于，所述水凝胶由甲基丙烯酸化明胶、海藻酸钠、透明质酸中的至少一种制成。

6.如权利要求1所述的3d生物打印的工程化绿藻活性材料，其特征在于，所述载体层由聚己内酯和/或聚乳酸制成。

7.权利要求1-6中任意一项所述的3d生物打印的工程化绿藻活性材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的3d生物打印的工程化绿藻活性材料的制备方法，其特征在于，所述水凝胶包括：甲基丙烯酸化明胶、海藻酸钠、透明质酸；透明质酸、海藻酸钠、甲基丙烯酸化明胶的质量比为1:1:18-1:9:10。

9.如权利要求7所述的3d生物打印的工程化绿藻活性材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的生物墨水前体的粘度为1-20pas。

10.如权利要求7所述的3d生物打印的工程化绿藻活性材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，生物墨水层与载体层的交联方法为：将载体层和生物墨水层浸没于氯化钙溶液中，添加光引发剂苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐，蓝光照射10-60s。

技术总结
本发明公开了一种3D生物打印的工程化绿藻活性材料及其制备方法，活性材料包括层叠设置的若干复合层，所述复合层包括：载体层、及其上方的生物墨水层；所述载体层与生物墨水层的质量比为1:1‑1:2；所述生物墨水层包括：水凝胶、培养基、及上转换纳米材料修饰的绿藻细胞；上转换纳米材料的发射波长在绿藻细胞叶绿体的激发波长范围内。本发明的3D生物打印的工程化绿藻活性材料包含上转换纳米材料修饰的绿藻细胞，在近红外光照条件下，上转换纳米材料能够被近红外光激发出可见光，供绿藻光合作用产生氧气；绿藻内的叶绿素a(光敏剂)能够被上述可见光激发为激发态，与上述氧气反应，产生活性氧物质(如单线态氧<supgt;1</supgt;O<subgt;2</subgt;)，诱导癌细胞死亡。

技术研发人员：符静珂,郝永强,李家鑫
受保护的技术使用者：上海交通大学医学院附属第九人民医院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13