[发明专利]一种电场辅助下的打印装置、水凝胶微球的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种电场辅助下的打印装置，包括电压电源、气泵、注射泵、收集装置，电源电压提供可调节的电场，气泵连接注射泵提供可调节的压力，收集装置用于收集微球。本发明采用基于电场力和气压力的挤出打印方法制备多孔甲基丙烯酸酰化明胶(GelMA)微球，可通过改变电压、气压和喷嘴尺寸，方便地调节水凝胶微球的直径。压电辅助式挤出打印用于生产分散，形状、尺寸和沉积位置可控的低浓度GelMA微球，方法既简单又经济；微球的圆度和尺寸均匀性均高于传统制造方法制备的微球。此外，GelMA是一种可生物降解的材料，避免了在体内长期存在可能产生的副作用和二次手术，载间充质干细胞(MSCs)的GelMA微球可治疗神经损伤、骨缺损及软骨缺损等。

技术领域

本发明涉及一种电场辅助下的打印装置、水凝胶微球的制备方法及应用。

背景技术

目前最常用的细胞培养方式是传统的二维(2D)贴壁培养，该方法虽然简单、成本低，但细胞在形态、结构和功能方面都与其在体内自然生长的状态相去甚远。2D培养的细胞贴附于培养器皿壁上，且一经贴壁就迅速铺展，并很快进入对数生长期，一般数天后就铺满培养器皿表面。2D培养在硬基质上进行，且不能模拟体内三维立体的自然微环境，包括细胞外基质(ECM)和邻近细胞，从而影响细胞的基因表达、信号转导等，最终导致所培养的细胞逐渐丧失其在生物体内的生物学特性及功能^[1-4]。故2D培养的细胞自我更新及多向分化能力与体内差异较大。同时，在临床应用上，2D培养也具有一定局限性。一方面2D培养的细胞需经消化步骤后再进行后续移植操作，对细胞有较大的损伤，无法为组织工程技术提供高质量的细胞，另一方面2D培养由于表面积体积比的限制^[5]，难以大规模培养，无法为组织工程技术提供数百万的细胞量。综上，为了更好地模拟体内细胞生长的微环境和输送高质量的细胞，有必要找到更仿生的培养模式。

三维(3D)细胞培养是指将细胞与具有三维结构的支架材料共同培养,使细胞能够在三维立体空间生长、增殖和分化。3D培养提供了一个可复制的、可控的微环境，并真实模拟体内环境的关键特征，包括细胞-细胞和细胞-ECM相互作用。水凝胶微球作为支架，是细胞附着的基质，可作为控制药物释放的载体，也可与细胞形成3D组织结构重建体内受损组织以恢复其功能。3D培养在软基质上进行，更为仿生。细胞在支架上生长，具有较大的表面积体积比，能产生数以百万计的细胞，无需消化即可直接移植至受损区，在组织工程方面具有较大应用前景。目前，常用的微球打印方法有数字光投影技术(DLP)打印和微流控打印。虽然这两种打印方法的精度会提高，但因为需要特定的仪器，成本也较高。且DLP打印常用于快速构建复杂的大型结构，如骨、软骨、气管等，在制造小尺度结构方面的应用较少。微流控打印则存在水油相分离的问题^[6]，且产量较低。因此，有必要研究一种新型的简便、经济、产量较高、直径可控、均匀的制造方法，构建一个3D微球培养模型，以便在组织工程中发挥重要作用。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种不足。

本发明的首要目的是提供一种电场辅助下的打印装置，包括电压电源、气泵、注射泵、收集装置，所述气泵设于所述注射泵的上方，所述收集装置设于所述注射泵的下方。电源电压提供可调节的电场(电势差等于电场强度乘以距离)，气泵连接注射泵提供可调节的压力，收集装置用于收集微球。

进一步的，所述注射泵上设有正和负电极。

进一步的，所述注射泵上设有金属环电极，所述金属环电极数量至少为2，包括一个正电极，一个负电极。

本发明的另一目的是提供一种水凝胶微球的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.生物墨水的制备；

S2.将生物墨水装入注射器；

S3.使用如权利要求1-3所述的压电辅助式挤出打印装置制备。