一种基于凝胶内无支撑3D打印仿生支架的方法与流程

本发明涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种基于凝胶内无支撑3d打印仿生支架的方法。

背景技术：

生物3d打印技术作为生物支架制备方法之一，具有高通量、精确控制支架和细胞的优点。因此，该技术不仅适用于转化医学，而且适用于基础研究应用。生物3d打印技术现在已经广泛应用于构建血管、肌肉、软骨、骨等功能性组织以及生物医学领域的开发及应用。通过生物3d打印技术能够在三维空间中精确控制打印结构，根据人体独特的解剖和生理标准打印出复杂的仿生结构，同时根据材料特性，增强种子细胞在打印结构上的粘附能力，促进组织修复与再生。

由于生物3d打印技术的局限性以及生物材料的特性，传统的生物3d打印技术往往需要在设计模型和打印过程中为仿生支架添加支撑结构，以防止柔软材料无支撑力的情况下而导致不成型或者坍塌，除此之外，去除支撑结构的过程较为复杂且往往会导致支架的变形或破损。因此，传统的生物3d打印技术无法在无支撑的条件下充分利用柔软性的生物材料打印出较为复杂的仿生结构。

纤维蛋白原是一种内源性的、具有生物相容性的糖蛋白，能够为细胞表面受体、生长因子和细胞外基质蛋白获得许多结合位点。由于纤维蛋白高水平的生物活性，纤维蛋白结构已被广泛用于伤口修复应用。例如，纤维蛋白在临床上已被用作纤维蛋白胶和伤口敷料中的伤口密封剂。除此之外，纤维蛋白原还可以通过构建水凝胶的形式，将细胞包封，促进细胞的浸润与粘附。

海藻酸钠与钙等二价金属离子“交联”形成的物质以较稳定的凝胶形式存在.具有很好的生物相容性和生物粘连性，通过与其他具有一定力学性能的生物材料相结合，可以3d打印出具有功能的生物支架，在组织工程中发挥重要作用。

明胶甲基丙烯基水凝胶结构类似于天然细胞外基质，具有良好的生物相容性、生物可降解性及低免疫原性，目前己被广泛用于3d细胞培养和组织再生等方面的研究。但其力学强度、弹性模量及骨传导性相对较差。

目前，为了实现纤维蛋白原、海藻酸钠和明胶这一类柔软但是具有良好生物相容性的材料在3d打印技术中的打印成型，往往是将它们与其他具有一定力学强度的生物材料相结合，使其共聚物在结构、力学和生物学特性上与天然组织相似。因此，目前尚无法利用传统的3d打印技术，让这一类柔软性的生物材料实现复杂仿生结构的打印成型。因此，该发明为解决柔软性生物材料在无支撑条件下，利用生物3d打印技术制备仿生支架提供方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于凝胶内无支撑3d打印仿生支架的方法，重点围绕如何利用生物凝胶特性去解决柔软性生物材料在打印过程中无法成型的难题，进而打印出更为复杂、精确、贴近人体组织结构的生物支架。

针对3d生物打印方法流程而言，本发明打破了传统的3df生物打印技术的打印方法，通过在凝胶内实现无支撑的3d生物打印，构建了凝胶内自由结构3d生物打印技术，避免了去除支撑结构的复杂过程，保证打印支架的完整性和准确性，促进了3d打印技术方法的创新发展。

本发明结合了各种柔软性生物材料的特性，针对3d生物打印支架体内降解过程中结构可控维持的需求，制备具有表面降解特性的可打印生物高分子材料，提供了一种细胞粘附性强，且具有多孔结构的水凝胶的制备方法，可以为细胞生产提供营养和代谢通道，有利于通过3d打印获得模拟人体各种复杂的组织结构。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于凝胶内无支撑3d打印仿生支架的方法，包括如下步骤：

s1.获取人体组织结构模型，并生成三维工程stl格式文件；

s2.通过生物3d打印技术在介质凝胶内进行无支撑打印，具体步骤如下：

s2a.将s1中的stl格式文件导入3d生物打印机的操作软件中；

s2b.将介质凝胶在-20℃～45℃的温度条件下加入透明容器内，置于打印台面；

s2c.将打印墨水加入3d打印机的打印墨水仓内，并控制3d生物打印机的打印墨水仓的温度设置为15℃～45℃；

s2d.控制3d生物打印机的打印台面温度为-20℃～45℃，通过3d生物打印机的喷头在介质凝胶内打印所述打印墨水形成仿生支架，完成凝胶内无支撑3d打印；

s2e.用清洗溶液浸没包含打印墨水形成仿生支架的介质凝胶整体，-20℃～45℃恒温静置1min～25min，通过清洗溶液将步骤s2d中的介质凝胶去除，得到完整的打印仿生支架；

s2f.用交联溶液浸没s2e中所述完整的打印仿生支架，恒温-20℃～45℃静置1min～25min，完成打印仿生支架的稳定成型。

为了进一步实现本发明，所述介质凝胶包括具有剪切变稀能力的卡波姆凝胶，所述卡波姆凝胶的组分包括：当量浓度为0.01n～1n的氢氧化钠粉末、质量分数0.1％～5％的卡波姆粉末、余量为ph值为6-7.7的去离子水。

为了进一步实现本发明，所述卡波姆凝胶的制备方法，步骤如下：用500ml去离子水、200mg氢氧化钠粉末配制500ml的0.01n氢氧化钠溶液，再将4g卡波姆粉末加入配制好的0.01n氢氧化钠溶液内，室温静置即可得卡波姆凝胶。

为了进一步实现本发明，所述打印墨水包括水凝胶和生物细胞，所述水凝胶组分包括质量分数为0.1％～20％纤维蛋白原粉末、质量分数为1％～15％海藻酸钠粉末、质量分数1％～40％明胶粉末、余量为1x的dpbs溶液；

所述明胶粉末为为鱼皮明胶和猪皮明胶以1:1的比例混合。

为了进一步实现本发明，所述打印墨水的制备方法，步骤如下：取10ml的dpbs溶液，向其中加入500mg纤维蛋白原粉末，搅拌2小时，再向其中加入300mg海藻酸钠粉末、500mg鱼皮明胶与500mg猪皮明胶共混，15℃～45℃搅拌至溶解即可得打印墨水。

为了进一步实现本发明，所述清洗溶液组分包括：当量浓度为100～300mm氯化钠粉末、ph值为6-7.7的去离子水。

为了进一步实现本发明，所述的清洗溶液制备方法，步骤如下：取500ml去离子水，加入5.85g氯化钠粉末，搅拌30min，静置在-20℃～45℃环境中制成所述清洗溶液。

为了进一步实现本发明，所述交联溶液由组分包括：当量浓度为100～300mm氯化钙溶液、当量浓度为10～100u/ml凝血酶溶液、余量为ph值6-7.7的去离子水；

所述的交联溶液制备方法，步骤如下：

取500ml去离子水，加入12500u凝血酶及11.1g氯化钙粉末，混合均匀后即制成所述交联溶液。

为了进一步实现本发明，所述打印墨水引入细胞生长因子。

一种针对凝胶内无支撑3d打印的生物凝胶，所述生物凝胶包括介质凝胶和打印墨水，所述介质凝胶为上述任意一项所述的介质凝胶，所述打印墨水为上述任意一项所述的打印墨水。

有益效果

本发明的一种基于凝胶内无支撑生物3d打印仿生支架的方法，通过利用3d生物打印技术的特点以及生物材料的特性，创新出一种能够充分发挥柔软性材料的特性，利用3d生物打印技术通过无支撑的方法制备复杂的仿生支架，为医学再生及组织工程的研究提供一种新的方法；本发明结合了各种柔软性生物材料的特性，针对3d生物打印支架体内降解过程中结构可控维持的需求，制备具有表面降解特性的可打印生物高分子材料，提供了一种细胞粘附性强，且具有多孔结构的水凝胶的制备方法，可以为细胞生产提供营养和代谢通道，有利于通过3d打印获得模拟人体各种复杂的组织结构。

附图说明

图1为本发明一种基于凝胶内无支撑3d打印仿生支架的方法的流程示意图；

图2为本发明实现凝胶内无支撑生物3d打印仿生支架过程的示意图。

图3为本发明实施中将细胞种植在支架内进行培养的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构。

实施例1

如图1-图3所示，本发明提供一种基于凝胶内无支撑3d打印仿生支架的方法，包括如下步骤：

s1.获取人体组织结构模型，并生成三维工程stl格式文件；通过solidworks软件进行画图，绘出类似于人体组织结构的支架，另外也可以通过采集健康成人冠状动脉mri影像数据后，以dicom格式导入医学三维重建软件mimics中，对模型进行初步分割、填补，计算得到血管表面轮廓三维模型，并导出成三维工程stl格式文件；

s2.通过生物3d打印技术在介质凝胶内进行无支撑打印，具体步骤如下：

s2a.将s1中的stl格式文件导入3d生物打印机的操作软件中；

s2b.将介质凝胶在-20℃～45℃的温度条件下加入透明容器内，置于打印台面，作为承接打印支架的承接容器；

-20℃～45℃介质凝胶为凝胶内无支撑生物3d打印提供了打印环境，使得打印墨水能够在打印过程不分散、坍塌，并且能够稳定存在于介质凝胶中；

s2c.将打印墨水加入3d打印机的打印墨水仓内，并控制3d生物打印机的打印墨水仓的温度设置为15℃～45℃，作为备用生物凝胶；

备用生物凝胶因含有纤维蛋白原成分，能够促进细胞粘附以及细胞生长，且温度适宜细胞在凝胶内的生长。

s2d.控制3d生物打印机的打印台面温度为-20℃～45℃，采用具有24g点胶针头的3d生物打印机，通过3d生物打印机的喷头在介质凝胶内打印打印墨水形成仿生支架，完成凝胶内无支撑3d打印。

打印台面设置温度能够避免所述打印墨水中明胶的溶胀，帮助保持打印凝胶在介质凝胶中的结构形态。

s2e.用清洗溶液浸没包含打印墨水形成仿生支架的介质凝胶整体，-20℃～45℃恒温静置1min～25min，通过清洗溶液将步骤s2d中的介质凝胶去除，得到完整的打印仿生支架。

清洗溶液能够在不改变打印支架的前提下去除介质凝胶。

s2f.用交联溶液浸没s2e中所述完整的打印仿生支架，恒温-20℃～45℃静置1min～25min，完成打印仿生支架的稳定成型。

交联溶液能够使得打印支架快速稳定成型，同时将所述打印凝胶中的明胶去除，从而获得含有细胞的多孔结构。

具体的，介质凝胶包括具有剪切变稀能力的卡波姆凝胶，卡波姆凝胶的组分包括：当量浓度为0.01n～1n的氢氧化钠粉末、质量分数0.1％～5％的卡波姆粉末、余量为ph值为6-7.7的去离子水。

卡波姆凝胶的制备方法，步骤如下：用500ml去离子水、200mg氢氧化钠粉末配制500ml的0.01n氢氧化钠溶液，再将4g卡波姆粉末加入配制好的0.01n氢氧化钠溶液内，室温静置即可得卡波姆凝胶。

具体的，打印墨水包括水凝胶和生物细胞，水凝胶组分包括质量分数为0.1％～20％纤维蛋白原粉末、质量分数为1％～15％海藻酸钠粉末、质量分数1％～40％明胶粉末、余量为1x的dpbs溶液；

明胶粉末为为鱼皮明胶和猪皮明胶以1:1的比例混合。

打印墨水的制备方法，步骤如下：取10ml的dpbs溶液，向其中加入500mg纤维蛋白原粉末，搅拌2小时，再向其中加入300mg海藻酸钠粉末、500mg鱼皮明胶与500mg猪皮明胶共混，15℃～45℃搅拌至溶解即可得打印墨水。

具体的，清洗溶液组分包括：当量浓度为100～300mm氯化钠粉末、ph值为6-7.7的去离子水。

清洗溶液制备方法，步骤如下：取500ml去离子水，加入5.85g氯化钠粉末，搅拌30min，静置在-20℃～45℃环境中制成所述清洗溶液。

具体的，交联溶液由组分包括：当量浓度为100～300mm氯化钙溶液、当量浓度为10～100u/ml凝血酶溶液、余量为ph值6-7.7的去离子水；

交联溶液制备方法，步骤如下：

取500ml去离子水，加入12500u凝血酶及11.1g氯化钙粉末，混合均匀后即制成所述交联溶液。

本发明的一种基于凝胶内无支撑生物3d打印仿生支架的方法，通过利用3d生物打印技术的特点以及生物材料的特性，创新出一种能够充分发挥柔软性材料的特性，利用3d生物打印技术通过无支撑的方法制备复杂的仿生支架，为医学再生及组织工程的研究提供一种新的方法；本发明结合了各种柔软性生物材料的特性，针对3d生物打印支架体内降解过程中结构可控维持的需求，制备具有表面降解特性的可打印生物高分子材料，提供了一种细胞粘附性强，且具有多孔结构的水凝胶的制备方法，可以为细胞生产提供营养和代谢通道，有利于通过3d打印获得模拟人体各种复杂的组织结构。

实施例2

本发明提供一种基于凝胶内无支撑3d打印仿生支架的方法，其他特征与实施例1相同，不同的是，本实施例打印墨水增加细胞，制备成细胞+纤维蛋白原+海藻酸钠+明胶的水凝胶溶液，然后再将它利用到s2中进行打印，可以得到具有细胞的仿生支架。

本实施例还可以将细胞生长因子引入s2中的打印墨水中，其优点在于可以给后续配置的打印墨水中的细胞提供营养，再运用3d生物打印技术打印出仿生支架，将支架植入人体后，细胞因子可以促进仿生支架上的细胞分化、增殖，加速组织修复与重建。

实施例3

本发明提供一种基于凝胶内无支撑3d打印仿生支架的方法，包括如下步骤：

s1.获取人体组织结构模型，并生成三维工程stl格式文件；通过solidworks软件进行画图，绘出类似于人体组织结构的支架，另外也可以通过采集健康成人冠状动脉mri影像数据后，以dicom格式导入医学三维重建软件mimics中，对模型进行初步分割、填补，计算得到血管表面轮廓三维模型，并导出成三维工程stl格式文件；

s2.通过生物3d打印技术在介质凝胶内进行无支撑打印，具体步骤如下：

s2a.将s1中的stl格式文件导入3d生物打印机的操作软件中；

s2b.将介质凝胶在4℃的温度条件下加入透明容器内，置于打印台面，作为承接打印支架的承接容器；

4℃介质凝胶为凝胶内无支撑生物3d打印提供了打印环境，使得打印墨水能够在打印过程不分散、坍塌，并且能够稳定存在于介质凝胶中；

s2c.将打印墨水加入3d打印机的打印墨水仓内，并控制3d生物打印机的打印墨水仓的温度设置为37℃，作为备用生物凝胶；

备用生物凝胶因含有纤维蛋白原成分，能够促进细胞粘附以及细胞生长，且温度适宜细胞在凝胶内的生长。

s2d.控制3d生物打印机的打印台面温度为0-4℃，通过3d生物打印机的喷头在介质凝胶内打印打印墨水形成仿生支架，完成凝胶内无支撑3d打印；

s2e.用清洗溶液浸没包含打印墨水形成仿生支架的介质凝胶整体，4℃恒温静置5min，通过清洗溶液将步骤s2d中的介质凝胶去除，得到完整的打印仿生支架；

s2f.用交联溶液浸没s2e中所述完整的打印仿生支架，恒温4℃静置3min，完成打印仿生支架的稳定成型。

交联溶液能够使得打印支架快速稳定成型，同时将所述打印凝胶中的明胶去除，从而获得含有细胞的多孔结构。

具体的，介质凝胶包括具有剪切变稀能力的卡波姆凝胶，卡波姆凝胶的组分包括：当量浓度为0.01n的氢氧化钠粉末、质量分数0.8％的卡波姆粉末以及ph值为6.5-7.4的去离子水。

介质凝胶的制备方法，步骤如下：将当量浓度为0.01n的氢氧化钠粉末与ph值为6.5-7.4的去离子水共混，搅拌溶解，再将质量分数0.8％的卡波姆粉末加入悬浮于氢氧化钠溶液，静置在4℃环境中24小时制成所述介质凝胶。

具体的，打印墨水包括水凝胶和生物细胞，水凝胶组分包括：质量分数为5％纤维蛋白原粉末、质量分数为3％海藻酸钠粉末、质量分数10％明胶粉末以及dpbs溶液。

打印墨水的制备方法，步骤如下：将质量分数为5％纤维蛋白原粉末与dpbs混合，搅拌2小时，再将质量分数为3％海藻酸钠粉末、质量分数10％明胶粉末加入共混，37℃搅拌6小时制成水凝胶。

具体的，清洗溶液组分包括：当量浓度为200mm氯化钠粉末、ph值为6.5-7.4的去离子水。

清洗溶液制备方法，步骤如下：将当量浓度为200mm氯化钠粉末加入ph值6.5-7.4的去离子水，搅拌30min，静置在4℃环境中制成所述清洗溶液。

具体的，交联溶液由组分包括：当量浓度为200mm氯化钙溶液、当量浓度为25u/ml凝血酶溶液以及ph值6.5-7.4的去离子水。

交联溶液制备方法，步骤如下：将当量浓度为200mm氯化钙溶液、当量浓度为25u/ml凝血酶溶液加入ph值6.5-7.4的去离子水，搅拌30min，静置在4℃环境中制成所述交联溶液。

发明的一种基于凝胶内无支撑生物3d打印仿生支架的方法，通过利用3d生物打印技术的特点以及生物材料的特性，创新出一种能够充分发挥柔软性材料的特性，利用3d生物打印技术通过无支撑的方法制备复杂的仿生支架，为医学再生及组织工程的研究提供一种新的方法；本发明结合了各种柔软性生物材料的特性，针对3d生物打印支架体内降解过程中结构可控维持的需求，制备具有表面降解特性的可打印生物高分子材料，提供了一种细胞粘附性强，且具有多孔结构的水凝胶的制备方法，可以为细胞生产提供营养和代谢通道，有利于通过3d打印获得模拟人体各种复杂的组织结构。

实施例4

一种针对凝胶内无支撑3d打印的生物凝胶，所述生物凝胶包括介质凝胶和打印墨水。

所述介质凝胶包括具有剪切变稀能力的卡波姆凝胶，卡波姆凝胶的组分包括：当量浓度为0.01n的氢氧化钠粉末、质量分数0.8％的卡波姆粉末以及ph值为6.5-7.4的去离子水。

介质凝胶的制备方法，步骤如下：将当量浓度为0.01n的氢氧化钠粉末与ph值为6.5-7.4的去离子水共混，搅拌溶解，再将质量分数0.8％的卡波姆粉末加入悬浮于氢氧化钠溶液，静置在4℃环境中24小时制成所述介质凝胶。

所述打印墨水包括水凝胶和生物细胞，水凝胶组分包括：质量分数为5％纤维蛋白原粉末、质量分数为3％海藻酸钠粉末、质量分数10％明胶粉末以及dpbs溶液。

打印墨水的制备方法，步骤如下：将质量分数为5％纤维蛋白原粉末与dpbs混合，搅拌2小时，再将质量分数为3％海藻酸钠粉末、质量分数10％明胶粉末加入共混，37℃搅拌6小时制成水凝胶。

本实施例结合了各种柔软性生物材料的特性，针对3d生物打印支架体内降解过程中结构可控维持的需求，制备具有表面降解特性的可打印生物高分子材料，提供了一种细胞粘附性强，且具有多孔结构的水凝胶的制备方法，可以为细胞生产提供营养和代谢通道，有利于通过3d打印获得模拟人体各种复杂的组织结构。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。