[发明专利]3D打印用生物墨水

说明书

本技术涉及一种由使用含双硫醇的具有至少两个巯基官能团的交联剂交联的含马来酰亚胺聚合物形成的3D打印水凝胶、制备该3D打印水凝胶的方法及其用途。

相关申请

本申请要求2018年7月24日提交的、名称为“3D打印用生物墨水”的澳大利亚临时专利申请2018902674的权益，其全部内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本技术广泛涉及3D打印用生物墨水。特别地，本技术涉及由使用交联剂交联的聚合物形成的3D打印水凝胶、制备该水凝胶的方法及其用途。

背景技术

细胞在体内三维存在于细胞外基质(ECM)内。细胞与ECM之间的相互作用在控制细胞的生物特征和行为方面发挥重要的作用。在癌症生物学中，三维(3D)体外细胞培养分析法用于在密切模拟细胞天然环境的环境中培养细胞。此类分析法维持了在二维单层培养中不存在的生理学上细胞-细胞和细胞-基质之间的相互作用。

3D生物打印采用3D技术将细胞与其他生物材料结合在一起来制备可模拟ECM的合成结构。一般地，3D生物打印机利用按需滴定或挤出打印技术打印3D体外分析。尽管按需滴定生物打印已被报道可在打印时保持高细胞活力，但由于当前3D生物墨水的粘度和细胞密度低，与其挤出技术相比，该技术仍然不太常使用。

水凝胶，无论是合成的还是天然的，皆已广泛用作ECM模拟物。特别地，合成水凝胶具有高度可再生性并能很好地控制物理和细胞响应性能，这对于用于体外研究的ECM模拟物是非常理想的。目前用于手动创建3D体外分析的方法主要使用或胶原蛋白作为ECM模拟物。其他广泛使用的材料为透明质酸、壳聚糖和海藻酸。由于它们来源于天然产物，所以天然水凝胶一般具有生物相容性，并且在某些情况下携带细胞-基质相互作用所必需的生物分子。但是，天然水凝胶作为ECM模拟物是有限制的，因为它们易受批次间可变性的影响，缺乏物理和生物化学模块性，和/或难以处理。

为了克服天然水凝胶的各种限制，已制备了各种合成水凝胶。特别地，共价交联的合成水凝胶可提供比天然水凝胶更坚固和物理上更精确的系统。然而，许多这些合成水凝胶都缺少促进细胞-基质相互作用的生物化学特性。进一步，为了将共价交联的合成水凝胶应用于细胞的3D生物打印，材料应具有生物相容性，以使细胞在水凝胶内原位打印。例如，虽然聚(丙烯酰胺)poly(acrylamide)是在细胞生物学(Caliari与Burdick，2016)上使用的可生物相容的合成水凝胶，但是相应的水凝胶前体不具有生物相容性，因此不适合细胞的3D生物打印。

目前3D生物打印的方法包括UV引发的自由基交联反应，该反应可快速形成水凝胶(Murphy与Atala、2014；Donderwinkel等，2017:Jungst等、2016Lowe等，2014)。例如，人们发现，可光联接的丙烯酸化PEG和肽的喷墨打印适合生成用于包封间充质干细胞的3D水凝胶结构(Gao等人，2017；Gao等人，2015)。然而，虽然已经证明了这种方法在活细胞的3D生物打印中的潜在应用，但是使用UV照射来引发光交联可对活生物体中的DNA造成损伤，同时产生的自由基也会损伤敏感细胞。

近年来，3D生物打印技术取得了重大进展，有可能缓解目前3D体外细胞培养分析的局限性。然而，尽管3D打印细胞培养的益处已被充分证实，但3D打印体外分析在细胞生物学中的应用仍然受到其复杂性、劳动密集型和低产量的限制。因此，需要替代性ECM模拟物以用于3D生物打印。

概述

本发明人已研发了适用于3D打印的生物墨水，该生物墨水具有生物相容性并且能通过基本上无毒性化学路径快速形成水凝胶。

在第一方面，本技术提供了一种由使用具有至少两个巯基官能团的含双硫醇交联剂交联的含马来酰亚胺聚合物形成的3D打印水凝胶。

含双硫醇的交联剂可包括两个以上的巯基官能团。