一种3D打印加工淀粉基生物细胞支架的方法

本发明属于生物组织工程，具体涉及一种3d打印加工淀粉基生物细胞支架的方法。

背景技术：

1、3d打印技术在制作生物细胞支架方面应用广泛。其可以根据患者的个体情况，定制专属的细胞支架，不仅能为细胞提供粘附、增殖和分化的理想环境，还能帮助设计个性化的治疗方案，修复或替换患者受损的人体组织。随着3d打印技术的不断进步与创新，其在生物医疗领域展现出了巨大的应用潜力与价值。

2、淀粉凝胶，凭借其出色的生物相容性、低免疫原性、体内可降解性，以及药物控释能力，已成为制造生物细胞支架的优选材料，展现出广阔的应用前景。然而，将其作为3d打印生物墨水时，却面临着固化时间长、打印精度不够理想、支撑性欠佳等问题，进而使其实际应用范围受到了一定制约。

3、壳聚糖在生物细胞支架中的应用也非常广泛，其具有优良的生物相容性，并且携带的正电荷有助于细胞的粘附和增殖。同时，壳聚糖还具有一定的免疫调节功能，能够减轻炎症反应，为细胞生长营造有利环境。此外，壳聚糖还具有良好的体内可降解性。但壳聚糖凝胶成型性差、凝胶强度低，并不适用于3d打印。

4、综上，开发能够满足3d打印需求的淀粉/壳聚糖混合凝胶用于制作生物细胞支架，有利于满足病患对体内可降解且具有抗炎作用的细胞支架材料的定制化需求，必将具有重要的应用前景。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种3d打印加工淀粉基生物细胞支架的方法，该方法将甲基丙烯酸酐分别接枝到淀粉链和壳聚糖分子上，然后将酯化淀粉糊化，加入酯化壳聚糖溶液，混合均匀后，利用3d打印技术生产定制化的细胞支架材料，同时利用紫外光进行光固化，即可得到满足病患个性化需求的、在人体内可降解的细胞支架材料。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、本发明提供了一种3d打印加工淀粉基生物细胞支架的方法，包括以下步骤：

4、s1、将甲基丙烯酸酐接枝到淀粉上制成甲基丙烯酸淀粉酯st-ma，并将st-ma糊化成淀粉糊(st-ma糊)；

5、s2、将甲基丙烯酸酐接枝到壳聚糖上制成甲基丙烯酸壳聚糖酯cs-ma，并将cs-ma溶解在醋酸溶液中制成酯化壳聚糖溶液(cs-ma溶液)；

6、s3、将s1的淀粉糊与s2的酯化壳聚糖溶液共混，并加入甘油和光引发剂制成3d打印生物墨水；

7、s4、将s3的3d打印生物墨水倒入到3d打印机套筒中进行打印，同时用打印机自带的紫外灯进行光固化交联，即可得到淀粉基生物细胞支架。

8、淀粉糊虽然可用于3d打印加工，但其固化时间长、打印精度差、样条支撑性弱，因此只能得到造型简单的3d打印产品，难以满足对复杂造型样品的打印需求。为了使淀粉凝胶满足生物细胞支架的3d打印加工的需要，需要强化其分子间的内聚力。而在淀粉链上接枝甲基丙烯酸酐，通过紫外光交联，理论上可以提高其固化性能。但受到淀粉链空间结构的限制，其与甲基丙烯酸酐反应后的取代度很低，因此甲基丙烯酸淀粉酯(st-ma)的3d打印性能依旧很差，无法满足生物细胞支架的打印需求。

9、壳聚糖溶液基本不具备3d打印性能，难以固化成型。其分子在溶液中带正电，而st-ma在溶液中带负电，因此理论上两者可以通过静电作用加强淀粉凝胶的网络结构。但壳聚糖难以得到均匀的高浓度溶液，直接加入到淀粉糊中后，会降低淀粉浓度。因此壳聚糖溶液直接加入到st-ma糊中，对淀粉凝胶3d打印成型性的改善效果有限。

10、基于此，本发明对壳聚糖分子也接枝上甲基丙烯酸酐，将其制备成甲基丙烯酸壳聚糖酯(cs-ma)，使st-ma与cs-ma之间既有静电作用，又可通过紫外光激发甲基丙烯酸基团的双键而发生交联，从而实现快速固化，满足3d打印制备生物细胞支架的精度需求。

11、优选地，所述淀粉为常见的市售淀粉，包括(但不限于)玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉等，优选为玉米淀粉。

12、优选地，所述壳聚糖为脱乙酰度95以上的中等粘度壳聚糖。

13、优选地，所述甲基丙烯酸淀粉酯st-ma的制备方法为：配置淀粉乳后，加入甲基丙烯酸酐，在ph 8.5-9.5下搅拌反应1-3h，之后取下层沉淀，经洗涤、透析和干燥后即得。

14、更优选地，所述淀粉乳的质量浓度为35-45％；所述甲基丙烯酸酐的加入量为淀粉乳质量的4-6％。

15、优选地，s1所述将st-ma糊化成淀粉糊时，淀粉糊的浓度为20％-30％，优选为25％。

16、优选地，所述甲基丙烯酸壳聚糖酯cs-ma的制备方法为：将壳聚糖溶解在醋酸溶液中后，加入甲基丙烯酸酐搅拌反应5-7h，之后经透析和干燥即得。

17、更优选地，所述醋酸溶液为体积浓度为1-2％的醋酸溶液；所述壳聚糖在醋酸溶液中的质量浓度为1-3％；所述甲基丙烯酸酐的加入量为壳聚糖溶液质量的4-6％。

18、优选地，s2所述将cs-ma溶解在醋酸溶液中制成酯化壳聚糖溶液时，壳聚糖的浓度为2％-5％，优选为2.5％。

19、优选地，s3所述淀粉糊与酯化壳聚糖溶液的干基质量比(即溶液中所含的st-ma和cs-ma的质量比)为15:1-2.5:1，优选为10:1。

20、优选地，s4所述3d打印为室温下进行打印、打印速度为15-25mm/s；紫外灯的波长为360-380nm、功率为240-260w。

21、优选地，s3所述甘油的加入量为淀粉糊/酯化壳聚糖混合溶液干基重的10-30％，优选为20％。

22、优选地，s3所述光引发剂包括但不限于2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，其加入量为淀粉糊/酯化壳聚糖混合溶液干基重的1-3％，优选为2％。

23、本发明还提供了采用上述的方法制备得到的淀粉基生物细胞支架。

24、采用本发明方法制备的淀粉基生物细胞支架，线条外观更为光滑，精度更高，支撑力更强，且安全、无细胞毒性，细胞在其上的存活率接近百分之百，能在体内降解，在生物组织工程领域具有重要的应用价值。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、针对淀粉和壳聚糖凝胶均无法用于3d打印加工的问题，本发明公开了一种3d打印加工淀粉基生物细胞支架的方法，首先将淀粉、壳聚糖分别与甲基丙烯酸酐反应制备得到甲基丙烯酸淀粉酯(st-ma)和甲基丙烯酸壳聚糖酯(cs-ma)；并将st-ma糊化成淀粉糊，将cs-ma溶解于醋酸溶液制成酯化壳聚糖溶液(cs-ma溶液)；然后将st-ma糊与cs-ma溶液共混，并加入甘油和光引发剂制成3d打印生物墨水，最后通过3d打印机进行打印，并利用打印机自带的紫外灯进行光固化交联，即可得到淀粉基生物细胞支架。利用本发明方法制备的淀粉基生物细胞支架具有较高的线条支撑性和打印精度，能够满足各种复杂造型的个性化打印需求，且安全、无细胞毒性，能在体内降解，在生物组织工程领域具有重要的应用价值。总体而言，本发明具有以下优点：

27、(1)本发明所开发的甲基丙烯酸淀粉酯(st-ma)与甲基丙烯酸壳聚糖酯(cs-ma)的混合溶液，是一种具有良好生物相容性、低免疫原性、体内可降解的3d打印生物墨水，可用于定制化生产生物细胞支架，满足病患对体内可降解的细胞支架材料的个性化生产需求。

28、(2)本发明制备的淀粉基生物细胞支架，安全、无细胞毒性，细胞在其上的存活率接近百分之百，且能在体内降解。