改性胶原纤维的可光固化生物材料及其制备方法和应用

本发明涉及生物材料，尤其是涉及一种改性胶原纤维的可光固化生物材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着生物技术的不断进步，生物医学研究考虑个体患者差异，正在向更加个性化治疗的精准诊疗方向发展。水凝胶的形态结构和组成成分与天然生物组织极为相似，具有高度可调的机械性能和良好的生物相容性，被广泛应用于组织代替物的制造中。近年来已开发出一系列仿生的水凝胶体系，来模拟天然组织微环境。然而，传统的水凝胶体系往往难以平衡力学强度与生物相容性，例如，合成的高分子水凝胶材料通常以牺牲组织功能活性来提升机械性能。

2、胶原蛋白作为天然的生物大分子材料，具有优异的组织相容性、生物降解性、低免疫原性以及可吸收性。通过静电纺丝技术制备的纳米级胶原蛋白纤维，比表面积大，孔隙率高，同时能够良好的模拟天然细胞外基质，提供微钠结构的力学特征以及胶原蛋白的组分优势。基于人体各组织特有的纤维排布特点，基于胶原蛋白纤维的新型生物材料在组织制造领域的开发和研究逐步深入。

3、生物3d打印技术作为组织工程医学领域的重要技术手段，通过允许负载细胞、生长因子的生物材料3d个性化重构，是精准医疗的有力工具。其中，光固化3d打印以其温和的制造方式、优秀的制造速度和分辨率等优势，在组织工程领域广泛应用。生物材料是否具有光响应能力成为能否利用光固化3d打印生物制造的关键问题。

4、因此，为解决目前生物制造的凝胶力学性能与生物相容性难以平衡的问题，开发一种可光固化的、高度仿生组织纤维组成的力学增强型胶原纤维的生物材料是非常有意义的。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种改性胶原纤维的可光固化生物材料及其制备方法和应用，该材料具有可光响应能力，高度仿生模拟天然微环境，可有效提高材料可打印性能，解决天然水凝胶力学性能低的问题。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种改性胶原纤维的可光固化生物材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

4、(1)将胶原蛋白通过静电纺丝技术制成胶原纤维；

5、(2)利用丙烯酸-n-琥珀酰亚胺酯与胶原纤维氨基反应得到碳碳双键改性的胶原纤维溶液；

6、(3)将改性的胶原纤维溶液与光引发剂混合得到可光固化生物材料。

7、进一步，胶原蛋白为i型胶原，i型胶原为鼠尾i型胶原冻干品、猪皮i型胶原冻干品或牛跟腱i型胶原冻干品。

8、i型胶原在结缔组织中的含量最高，并且是组织胶原纤维中的重要成分，故使用i型胶原。

9、进一步，步骤(1)中，将胶原蛋白溶解在六氟异丙醇中，搅拌制得胶原静电纺丝液，将胶原静电纺丝液通过静电纺丝技制备胶原纤维。

10、进一步，静电纺丝电压为18～25kv，接收距离为20～30cm，接收速度为50r/min，喷嘴直径为10～12g，喷嘴的推进速度为0.35ml/h，喷嘴的平移速度为400mm/min，喷嘴的平移距离为30cm，制备温度为室温，制备湿度为25～30％。

11、进一步，胶原静电纺丝液的浓度为10～15wt％，胶原纤维直径为200～500nm。

12、进一步，步骤(2)的具体步骤为：将步骤(1)制得的胶原纤维溶于pbs中，随后加入溶于dmso的丙烯酸-n-琥珀酰亚胺酯，混合均匀，待反应结束后，得到双键改性的胶原纤维溶液。

13、进一步，胶原纤维溶于pbs中得到浓度为1～10wt％的溶液，丙烯酸-n-琥珀酰亚胺酯的终浓度为1～5mg/ml，反应温度为25～35℃，反应时间为4～8h。

14、进一步，步骤(3)中改性的胶原纤维溶液的浓度为1～10wt％，光引发剂为苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂，引发剂在胶原纤维溶液中的浓度为0.5wt％。

15、本发明还提供了一种由上述所述的制备方法制备得到的改性胶原纤维的可光固化生物材料。

16、本发明还提供了一种如上述所述的改性胶原纤维的可光固化生物材料在制备具有胶原纤维结构的生物组织上的应用，将该可光固化生物材料通过原位光照固化或者根据相应组织特点个性化建模并利用dlp生物3d打印系统打印，得到高度模拟组织纤维排列且力学性能增强的水凝胶组织支架。

17、进一步，以改性胶原纤维的可光固化生物材料为液相，以gelma为固相，加入pbs和光吸收剂后，将两相充分混合均匀，加载到dlp 3d打印系统液槽；使用dlp 3d打印系统制得具有仿生纤维微结构的高强度胶原纤维复合凝胶，打印光源波长为405nm，打印光强为18mw/cm2，打印层厚为0.05～0.1mm，曝光时间为5～10s。

18、进一步，液相中改性胶原纤维的可光固化生物材料的浓度为1～4wt％，gelma浓度为10wt％，光吸收剂浓度为0.02wt％，所述光吸收剂为酒石黄(tartrazine)。

19、相对于现有技术，本发明所述的改性胶原纤维的可光固化生物材料及其制备方法和应用具有以下优势：

20、本发明所述的改性胶原纤维的可光固化生物材料选用天然生物材料，利用静电纺丝技术得到仿生天然组织纤维尺度的胶原纤维；随后通过化学改性，得到可光固化生物材料；进而利用dlp 3d打印技术，获得具有键合纤维结构的高强度复合凝胶。本发明可以用于制备各种具有胶原纤维结构的生物组织，例如角膜、韧带和皮肤等，制得的组织代替物支架可以用于离体或载体的科学研究，或构建药物释放系统。

技术特征：

1.一种改性胶原纤维的可光固化生物材料的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的改性胶原纤维的可光固化生物材料的制备方法，其特征在于：胶原蛋白为i型胶原，i型胶原为鼠尾i型胶原冻干品、猪皮i型胶原冻干品或牛跟腱i型胶原冻干品。

3.根据权利要求1所述的改性胶原纤维的可光固化生物材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，将胶原蛋白溶解在六氟异丙醇中，搅拌制得胶原静电纺丝液，将胶原静电纺丝液通过静电纺丝技术制备胶原纤维。

4.根据权利要求3所述的改性胶原纤维的可光固化生物材料的制备方法，其特征在于：胶原静电纺丝液的浓度为10～15wt％，胶原纤维直径为200～500nm。

5.根据权利要求1所述的改性胶原纤维的可光固化生物材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)的具体步骤为：将步骤(1)制得的胶原纤维溶于pbs中，随后加入溶于dmso的丙烯酸-n-琥珀酰亚胺酯，混合均匀，待反应结束后，得到双键改性的胶原纤维溶液。

6.根据权利要求5所述的改性胶原纤维的可光固化生物材料的制备方法，其特征在于：胶原纤维溶于pbs中得到浓度为1～10wt％的溶液，丙烯酸-n-琥珀酰亚胺酯的最终浓度为1～5mg/ml，反应温度为25～35℃，反应时间为4～8h。

7.根据权利要求1所述的改性胶原纤维的可光固化生物材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中改性的胶原纤维溶液的浓度为1～10wt％，光引发剂为苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂，光引发剂在胶原纤维溶液中的浓度为0.5wt％。

8.一种由权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到的改性胶原纤维的可光固化生物材料。

9.一种如权利要求8所述的改性胶原纤维的可光固化生物材料在制备具有胶原纤维结构的生物组织上的应用，其特征在于：将该可光固化生物材料通过原位光照固化或者根据相应组织特点个性化建模并利用dlp生物3d打印系统打印，得到高度模拟组织纤维排列且力学性能增强的水凝胶组织支架。

10.根据权利要求9所述的改性胶原纤维的可光固化生物材料的应用，其特征在于：以改性胶原纤维的可光固化生物材料为液相，以甲基丙烯酸酯化明胶gelma为固相，加入pbs和光吸收剂后，将两相充分混合均匀，加载到dlp 3d打印系统液槽；使用dlp 3d打印系统制得具有仿生纤维微结构的高强度胶原纤维复合凝胶，打印光源波长为405nm，打印光强为18mw/cm2，打印层厚为0.05～0.1mm，曝光时间为5～10s。

技术总结本发明提供了一种改性胶原纤维的可光固化生物材料及其制备方法和应用，该生物材料通过化学改性，在胶原蛋白的静电纺丝纤维结构上修饰碳碳双键(C＝C)，使其能够应用于光固化生物3D打印系统，制备可光控聚合的胶原纤维凝胶，增强了水凝胶的力学强度，同时更加仿生天然组织结构特点，可用于离体或载体的多方面研究。技术研发人员：叶青,张铭珊,田建国受保护的技术使用者：南开大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2