[发明专利]一种可构建多层级仿生孔结构的3D打印生物墨水及其制备方法和打印方法

说明书

本发明公开了一种可构建多层级仿生孔结构的3D打印生物墨水及其制备方法和打印方法。经制备而成的生物墨水包含有可光固化水凝胶、聚环氧乙烷溶液、引发剂、无机成骨活性成分、有机成骨活性成分和骨髓间充质干细胞，且通过3D打印技术打印支架的孔隙率为46～70％，大孔尺度为300～1000μm，微观尺度为10～100μm，可使支架内留存的62‑90％的生长因子和细胞均匀分布且可通过相互贯通的孔隙进行增殖和迁移，满足支架内细胞的营养和代谢产物交换需要，促进植入体支架的骨修复重建。本发明提供的3D打印生物墨水具有良好生物相容性，分散性好，还可完全降解，使所打印的支架不仅具有良好的骨修复效果，且可以由人体自行吸收排出，不需要二次手术取出，具备较大的临床应用价值。

技术领域

本发明属于生物材料及其制备技术领域，尤其是3D生物打印材料和制备技术领域，特别涉及一种适合骨再生修复的含有活细胞和生长因子且可构建多层级仿生孔结构的3D打印生物墨水及其制备方法和打印方法。

背景技术

车祸、外伤、恶性肿瘤等因素导致的骨缺损是临床常见且难以解决的问题，对此，临床常用的治疗方法为植骨术。目前植骨术常用的移植物的来源包括自体骨、同种异体骨、异种骨及各种无活性的人工骨等，但这些植骨材料不仅来源有限，且会导致取骨部位并发症、二次手术、传播传染性疾病、免疫排斥等问题，或因金属、高分子聚合物等人工骨支架力学强度较高，存在降解困难、降解速率与骨生长速率不一致以及降解产物影响局部微环境等问题。

对此，组织工程学提供了解决上述问题的一个可行思路。由组织工程学衍生出来的组织工程学支架可由模仿细胞外基质(ECM)的生物材料和具有促进细胞生长或诱导分化的生长因子构成，从而为细胞附着，增殖和分化提供结构支持。这些模仿细胞外基质(ECM)的生物材料如明胶、海藻酸盐、壳聚糖、透明质酸、聚乙二醇等天然及合成的水凝胶材料，由于其具备类细胞外基质的仿生特性，高度的三维水化网络结构，高效养分和代谢物交换能力以及包裹细胞的强大能力，有利于组织再生和创伤愈合过程中细胞的迁移和生长，可提高骨组织再生和修复的速度，非常适用于作为移植细胞和生长因子缓释的载体，现已被广泛应用于制备组织工程水凝胶支架。

另外，临床骨缺损病人的缺损部位大多形状不规则，体外预制骨修复材料难以在术中完美匹配骨缺损形状，3D打印技术的出现解决了这一难题。传统的3D打印技术由于打印过程中温度过高，仅能打印完成后在支架表面接种细胞或添加生物活性成分。此类支架存在细胞接种后在支架表面分布不均匀，细胞及生物活性成分黏附不佳等问题。除制备材料本身外，组织工程支架还应该具备相互连接的孔隙结构，以允许有效氧、营养物和废物交换以及细胞增殖和舒展。但在制造孔隙技术方面，传统的组织工程支架造孔方法虽有粒子致孔法、冷冻干燥法、气体发泡法等，但这类方法由于接种的细胞或添加的生物活性成分难以承受造孔加工过程而仅适用于单纯的支架打印。

近年来出现的3D生物打印技术(Murphy,S.,Atala,A.3D bioprinting oftissues and organs.Nat Biotechnol 32,773–785(2014).)虽能将细胞及生物活性物质配制成“生物墨水”来实现精准打印、多细胞打印或复杂器官组织打印，但所使用的水凝胶类材料产生的密集生物材料网络会限制封装的细胞的扩散，迁移和增殖。如何准确控制生物材料内部孔隙率、孔径以及孔间交通结构成为限制其发展的瓶颈。

发明内容

本发明的目的首先是针对采用现有水凝胶类材料打印的支架存在限制细胞增殖和舒展的问题，提供一种可构建多层级仿生孔结构的3D打印生物墨水。

本发明的另一目的是提供一种上述可构建多层级仿生孔结构的3D打印生物墨水的制备方法。

本发明的再一目的是提供一种用上述3D打印生物墨水打印水凝胶支架的方法。

本发明提供的一种可构建多层级仿生孔结构的3D打印生物墨水，该3D打印生物墨水包含以下组分：