一种3D打印丝素环状支架增强胶原基角膜修复材料及其制备方法

一种3d打印丝素环状支架增强胶原基角膜修复材料及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种3d打印丝素环状支架增强胶原基角膜修复材料及其制备方法，具体涉及到一种制备具有良好理化性能和生物相容性的胶原基角膜修复材料的方法。本发明所得的材料可应用于临床上角膜组织缺损的修复和治疗。


背景技术：

2.角膜疾病是一种十分常见的眼科病，约有三分之一的失明患者是由于角膜疾病而导致的。对于角膜病患者而言，需要进行角膜移植手术，采用供体的健康角膜来替代其损伤角膜，这就导致了对同种异体角膜的极大需求。但是目前在临床上，健康的角膜供体数量远少于角膜移植的需求量，所以人工角膜的研发就显得十分必要。
3.胶原蛋白作为细胞外基质的骨架成分，在细胞外基质中形成半结晶的纤维，给细胞提供抗张力和弹性，并在细胞的迁移和组织发育中起重要作用。鉴于此，胶原基材料在角膜修复领域中具有广阔的应用前景。然而，值得关注的是，对于胶原基角膜修复材料，胶原基支架材料在植入过程及术后常发生撕裂成为导致临床角膜移植失败的主要原因之一，在保证材料高透光性的基础上开发具备良好耐缝合性能的胶原基角膜修复支架仍然是角膜修复领域的技术难题。角膜组织需要承受眼表70％以上的张力，天然角膜中胶原纤维的分布及其在受力时的应变响应过程对维持角膜正常形貌与功能至关重要。正常情况下，角膜在受到外力作用时，胶原纤维的弹性形变及胶原分子间的空间位阻效应可以有效促使纤维快速恢复到平衡位置。然而，目前常见的胶原基人工角膜往往不具备天然角膜那样复杂的结构和性能，因此在移植过程中，当缝合剪切力超过一定程度时就会发生撕裂。天然丝素蛋白作为一种高分子纤维蛋白，其卓越的力学特性使之成为改善组织工程材料力学性能的首选原料。因此，针对胶原基角膜材料在植入时耐缝合性能不足的难题，本发明将丝素蛋白纤维支架引入到胶原基角膜修复材料内部，从而改善胶原基支架材料的力学性能，获得了一种具有良好理化性能和生物相容性的丝素蛋白增强胶原基支架材料。本专利获得的这种3d打印丝素环状支架增强胶原基角膜修复材料具有广阔的应用前景。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种3d打印丝素环状支架增强胶原基角膜修复材料及其制备方法。
5.本发明的目的通过以下技术方案实现：
6.一种3d打印丝素环状支架增强胶原基角膜修复材料的制备方法，包括以下步骤：
7.(1)配制丝素蛋白溶液，设计和优化丝素蛋白环状支架的3d打印参数，构建具有规则三维空间结构的3d打印丝素蛋白环状支架材料；
8.(2)配制柠檬酸溶液，通过柠檬酸分子对步骤(1)获得的具有三维空间结构的3d打印丝素蛋白环状支架材料进行表面化学修饰，获得羧基化的3d丝素蛋白环状支架；
9.(3)配制胶原蛋白溶液，将步骤(2)获得的羧基化的3d丝素蛋白环状支架引入到胶原蛋白溶液体系中，分别以碳化二亚胺和n-羟基丁二酰为交联剂和催化剂，使得丝素蛋白分子与胶原蛋白分子发生化学交联，形成酰胺键结合，得到丝素-胶原交联体系；
10.(4)将步骤(3)得到的丝素-胶原交联体系置于模具中自然风干成膜，最终形成双重复合的3d打印丝素环状支架增强胶原基角膜修复材料。
11.进一步地，步骤(1)中所述丝素蛋白溶液中，丝素蛋白的质量分数为15％～40％。
12.进一步地，步骤(1)中丝素蛋白3d打印的条件如下：将丝素蛋白墨水装载在3～5ml注射器中，通过33号倒角分配喷嘴挤出到一个装有水盐浴的玻璃皿中，控制打印速度和压力分别为1～1.5mm.s-1
和210kpa；水盐浴中氯化钠和磷酸钾的浓度分别是4m和0.5m。
13.进一步地，步骤(1)和步骤(2)中所述的规则三维空间结构包括圆形、正六边形、正六角形、正八边形、正八角形、正十二边形和正十二角形等环状结构。
14.进一步地，步骤(2)中所述的柠檬酸溶液中，柠檬酸的质量分数为2.5～7.5％。
15.进一步地，步骤(3)中所述的胶原蛋白溶液中，胶原蛋白的质量分数为6.5～15.0％。
16.进一步地，步骤(3)中碳化二亚胺与胶原蛋白和羧基化的3d丝素蛋白环状支架的总质量比为1：(5.0～6.5)，碳化二亚胺与n-羟基丁二酰的质量比为(1～1.2)：(0.8～1.2)。
17.进一步地，步骤(4)中的模具是具有和角膜形状相同的半球形凹槽磨具，在自然风干过程中，羧基化的3d丝素蛋白环状支架均匀、对称置于于模具中央部位，与丝素-胶原交联体系形成有机结合。
18.本发明针对传统胶原基角膜材料在植入时耐缝合性能不足的难题，创造性的将丝素蛋白纤维支架引入到胶原基角膜修复材料内部，从而改善胶原基支架材料的力学性能，获得了一种具有良好理化性能和生物相容性的丝素蛋白增强胶原基支架材料。本专利获得的这种3d打印丝素环状支架增强胶原基角膜修复材料具有广阔的应用前景。
具体实施方式
19.为了更好的理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步地说明，但本发明要求保护的范围并不局限于提到的实施例表示的范围。
20.实施例1
21.以胶原蛋白、丝素蛋白和柠檬酸等作为原料，制备一种3d打印丝素环状支架增强胶原基角膜修复材料。这种丝素蛋白增强胶原基角膜修复材料的制备步骤如下：
22.(1)首先，配制30％质量浓度的丝素蛋白溶液，设计具有正八边形结构的3d丝素蛋白环状支架参数，将丝素蛋白溶液装载在3ml注射器中，通过33号倒角分配喷嘴挤出到一个装有水盐浴(4m氯化钠和0.5m磷酸钾)的玻璃皿中，控制打印速度和压力分别为1.2mm.s-1和210kpa，构建具有正八边形三维空间结构的丝素蛋白环状支架材料；
23.(2)然后，配制5.0％质量浓度的柠檬酸溶液，通过柠檬酸分子对步骤(1)获得的具有正八边形结构的3d打印丝素蛋白支架材料进行表面化学修饰，获得羧基化的3d丝素环状支架；
24.(3)随后，配制8.5％质量浓度的胶原蛋白溶液，将步骤(2)获得的羧基化的丝素蛋白环状支架引入到胶原溶液体系中，分别以碳化二亚胺和n-羟基丁二酰为交联剂和催化
剂，其中碳化二亚胺与胶原和羧基化丝素蛋白的总质量比为1：6，碳化二亚胺与n-羟基丁二酰的质量比为1：1，使得丝素蛋白分子与胶原蛋白分子发生化学交联，形成酰胺键结合；
25.(4)最后，将步骤(3)得到的丝素-胶原交联体系置于半球形凹槽模具中自然风干成膜，最终形成在宏观物理结构和微观化学组装层面上双重复合的丝素蛋白增强胶原基角膜修复材料。
26.实施例2
27.以胶原蛋白、丝素蛋白和柠檬酸等作为原料，制备一种3d打印丝素环状支架增强胶原基角膜修复材料。这种丝素蛋白增强胶原基角膜修复材料的制备步骤如下：
28.(1)首先，配制35％质量浓度的丝素蛋白溶液，设计具有正十二角形结构的3d丝素蛋白环状支架参数，将丝素蛋白溶液装载在5ml注射器中，通过33号倒角分配喷嘴挤出到一个装有水盐浴(4m氯化钠和0.5m磷酸钾)的玻璃皿中，控制打印速度和压力分别为1mm.s-1和210kpa，构建具有正十二角形的三维丝素蛋白环状支架材料；
29.(2)然后，配制5.5％质量浓度的柠檬酸溶液，通过柠檬酸分子对步骤(1)获得的具有正十二角形结构的3d打印丝素蛋白支架材料进行表面化学修饰，获得羧基化的3d丝素环状支架；
30.(3)随后，配制7.5％质量浓度的胶原蛋白溶液，将步骤(2)获得的羧基化的丝素蛋白环状支架引入到胶原溶液体系中，分别以碳化二亚胺和n-羟基丁二酰为交联剂和催化剂，其中碳化二亚胺与胶原和羧基化丝素蛋白的总质量比为1：6，碳化二亚胺与n-羟基丁二酰的质量比为1：1.2，使得丝素蛋白分子与胶原蛋白分子发生化学交联，形成酰胺键结合；
31.(4)最后，将步骤(3)得到的丝素-胶原交联体系置于半球形凹槽模具中自然风干成膜，最终形成在宏观物理结构和微观化学组装层面上双重复合的丝素蛋白增强胶原基角膜修复材料。