[发明专利]三维打印用组合物及其制备方法、以及利用其的三维结构体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维打印用组合物。此外，本发明涉及所述三维打印用组合物的制备方法和利用三维打印用组合物的三维结构体的制备方法。

背景技术

三维打印是指将从形状复杂的组织(tissue)或器官(organ)的医疗数据获得的任意形状信息变换为G代码(G-code)后通过层叠工序(layer-by-layer process)构建复杂的骨架结构。这种三维打印也被称为“三维生物打印(three-dimensional bioprinting，3D bioprinting)”。例如“多头组织器官打印系统”是代表性的三维打印技术中的一种，其由2个通过气压喷射材料的气压式注射器和2个利用步进电机(step motor)以纳升单位精密喷射的活塞式注射器组成，并且可以同时使用多种材料。通常而言，将如PLA(聚乳酸，Polylactic Acid)、PGA(聚乙醇酸，Poly-glycolic Acid)、PLGA(聚乳酸-乙醇酸共聚物，Poly-lactic-co-glycolid Acid)、PCL(聚己内酯，Polycaprolactone)或它们的混合物等热塑性生物相容性高分子装入气压式注射器来制作结构体。此外，将由胶原蛋白、透明质酸、明胶、海藻酸盐、壳聚糖或纤维蛋白(fibrin)等组成的水凝胶装入活塞式注射器来制作三维结构体。

生物打印需要含细胞的介质的分配，因此生物打印的重要方面是打印工序应为细胞相容性(cytocompatible)。这种限制导致需要在水性或水性凝胶环境下实施，从而减少材料的选择。因此，用于制备从肝到骨的多种组织的生物打印中利用如下水凝胶，即，使用明胶、明胶/壳聚糖、明胶/海藻酸盐、明胶/纤连蛋白、Lutrol F127/海藻酸盐、以及海藻酸盐等材料的水凝胶。用于生物打印的所述水凝胶或水凝胶和细胞的混合物等也被称为“生物油墨(bioink)”。

通常而言，细胞在整个培养期间特异性地一直位于原来的位置，这是由于细胞无法维持或分解周围的海藻酸盐凝胶基质(Fedorovich，N.E.et al.Tissue Eng.13，1905-1925(2007))。因此，虽然有关于细胞-打印结构体的生物打印的一些成功的报道，但是最低限度的细胞-材料相互作用(cell-material interactions)和差的(inferior)组织形成是最重要的问题。实际上，这些材料无法显示出天然的细胞外基质(extracellular matrices，ECMs)的复杂性，由此不足以再现具有活体组织的典型的细胞-细胞连接(cell-cell connections)和三维(three-dimensional，3D)细胞构成的微环境。因此，所述水凝胶中的细胞无法显示出活体内的活组织的固有形状及功能。因此，如果能够向细胞提供与细胞的亲本组织(parent tissue)相似的天然微环境，则是理想的。脱细胞化的细胞外基质(decellularized extracellular matrix，dECM)就是其中的最佳选择，其原因在于，任何天然或人工材料都不能完全再现天然细胞外基质的所有特性。而且，各组织的ECM在组成(composition)及局部解剖学(topology)方面是独特的，所述组成及解剖学特性是通过常驻细胞(resident cells)和微环境之间的动态且相互的相互作用生成。对于从组织及器官分离的细胞和ECM的最近研究中，为了保存所选择的细胞功能及表现型(phenotype)，强调组织特异性(tissue specificity)的必要性(Sellaro，T. L. et al. Tissue Eng.Part A16，1075-1082(2010)；Petersen，T.H.et al.Science 329，538-541(2010)；Uygun，B.E.et al.Nat.Med.16，814-821(2010)；Ott，H.C.et al.Nat.Med.16，927-933(2010)；Flynn，L. E.Biomaterials 31，4715-4724(2010))。所收获的dECM材料通常从包含皮肤、小肠粘膜下层组织(small intestinal submucosa)的多种组织加工为二维(two-dimensional，2D)支架，在初期步骤中渗透性或接种的细胞为了生存到生成支撑性血管网络(supporting vascular network)为止而依赖于氧和营养素的扩散。然而，所打印的组织类似物结构需要研究开放的多孔性3D结构的制备方法，以允许营养素的流动。本发明人曾开发了使用dECM生物油墨的用于打印细胞装载(cell-laden)结构的三维打印方法，其能够提供适合3D结构组织的生长的优化的微环境，所述细胞-装载结构能够再现固有的细胞形状及功能(Falguni Pati，et al.，Nat Commun.5，3935(2014))。