一种磁响应纳米纤维复合凝胶墨水及其制备方法与应用

一种磁响应纳米纤维复合凝胶墨水及其制备方法与应用

本发明涉及水凝胶墨水，具体涉及一种磁响应纳米纤维复合凝胶墨水及其制备方法与应用。

背景技术

基于生物高分子网络水凝胶良好的生物相容性、类细胞外基质特性和性能可调节性，其可用作模拟骨组织的有机基质，为生物矿化提供模板。但是大多数水凝胶为静态交联的单一网络组成，其缺乏天然的细胞外基质动态活性，无法准确模拟自然组织中的复杂结构。因此，以可注射动态水凝胶作为骨组织工程支架可以更好地模拟细胞外基质动态微环境，其可通过微创注射的方式使用，前驱体溶液可以填充于不规则的组织缺损等，具有3d打印成形性，实现药物高效包裹及释放。然而，大多数基于单一分子网络的可注射水凝胶存在力学强度较弱，分子设计相对复杂；缺乏类细胞外基质的纳米纤维结构；缺乏力学传导特性；干细胞功能调控相对单一等缺点。因此，可在DNA/GelMA动态双网络凝胶3D打印支架中引入功能化磁性纳米纤维基质，赋予支架异质性和外磁场响应特性，并通过传递动态机械刺激来调控干细胞行为，以进一步提升骨组织修复效果。

Fe3O4 NPs由于其低毒性而表现出良好的生物相容性。此外，磁性NPs可以在细胞上施加持续的弱磁力，以改善静磁场(SMF)下的骨组织再生。目前，将Fe3O4纳米颗粒联合纳米蛋白纤维应用于凝胶3D打印墨水体系的研究还未有报道。如何获得可促干细胞成骨分化的磁响应纳米纤维复合凝胶墨水，成为人们需要解决的问题之一。

技术实现思路

为解决传统3D打印凝胶墨水缺乏动态力学特性、力学强度较弱、分子设计相对比较复杂以及缺乏类细胞外基质的纳米纤维结构等问题，同时兼顾促干细胞成骨分化等生物学性能的问题，本发明的目的之一在于提供一种磁响应纳米纤维复合凝胶墨水的制备方法。本发明基于物理和化学双交联，构建纳米纤维复合动态双网络水凝胶3D打印墨水。并进一步通过静电作用构建Fe3O4修饰的磁性纳米纤维，从而构建具有磁响应特性的促成骨分化的纳米纤维复合动态双网络凝胶墨水，所述物理交联包括DNA分子、AF-Fe3O4和GelMA之间的静电和氢键相互作用，以及紫外光引发的GelMA所形成的化学交联网络。

本发明的目的之二在于提供一种磁响应纳米纤维复合凝胶墨水。

本发明的目的之三在于提供上述磁响应纳米纤维复合凝胶墨水在制备骨组织工程支架材料中的应用。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种磁响应纳米纤维复合凝胶墨水的制备方法，包括如下步骤：

1. 将淀粉样蛋白纤维(AF)溶于水中，加入Fe3O4溶液，搅拌混合均匀，获得Fe3O4修饰的蛋白纤维溶液，简称AF-Fe3O4溶液；
2. 将甲基丙烯酸改性明胶(GelMA)和光引发剂溶解于步骤s1所得AF-Fe3O4溶液中；
3. 向步骤s2所得溶液中加入DNA，混合均匀，得到预溶液；
4. 将步骤s3所得预溶液进行90℃～95℃高温处理，室温静置，得到的预聚物即为所述的磁响应纳米纤维复合凝胶墨水。

进一步地，步骤s1中所述的淀粉样蛋白纤维可通过加工淀粉样蛋白获得，其中淀粉样蛋白为鸡蛋清溶菌酶、牛奶β-乳球蛋白、卵白蛋白、亚麻酸、角蛋白、小麦谷蛋白和燕麦蛋白中的至少一种。

进一步地，所述的鸡蛋清溶菌酶使用前经过如下预处理：

(1) 将鸡蛋清溶菌酶加入pH＝2±0.5的去离子水溶液中，搅拌至溶解；
(2) 将步骤(1)所得溶液在90±5℃中孵育10±2h，反应液冻干备用。

进一步地，步骤s2中所述的光引发剂为光引发剂LAP、光引发剂907、光引发剂IHT-PI659和光引发剂I2959中的至少一种。

进一步地，步骤s2中所述的甲基丙烯酸改性明胶通过如下方法制备得到：

1. 将明胶在磷酸缓冲液中完全溶解，获得明胶溶液；
2. 控制体系pH为7.4-11.0，向明胶溶液中加入甲基丙烯酸酐，反应；用水透析反应液，冷冻干燥，获得甲基丙烯酸酐改性明胶。

进一步地，所述明胶与磷酸缓冲液的用量比为2～10g：20～100ml。

进一步地，所述明胶与甲基丙烯酸酐的用量比为2～10g：5～20ml。

进一步地，所述甲基丙烯酸酐以滴加的方式加入，滴加的速度为4～6s一滴。

进一步地，所述反应的条件为温度40～60℃，时间为4～10h。

进一步地，所述透析采用截留分子量为8～15kDa的透析袋，用水进行透析。

更进一步地，所述的水为去离子水。

进一步地，步骤s3中所述的DNA为分子量4×105～10×105g/mol的DNA；优选为鲱鱼睾丸的脱氧核糖核酸钠盐，Sigma-Aldrich，分子量约为6.0×105g/mol。

进一步地，步骤s3中所述的预溶液中，AF-Fe3O4的浓度为2～10mg/ml；甲基丙烯酸改性明胶的浓度为50～100mg/ml；光引发剂的浓度为5～10mg/ml；DNA的浓度为5～30mg/ml。

进一步地，步骤s4中所述的高温处理的时间为1～2min。

一种磁响应纳米纤维复合凝胶墨水，通过上述制备方法得到。

上述磁响应纳米纤维复合凝胶墨水在制备骨组织工程支架材料中的应用。

进一步地，所述的应用为：将所述的磁响应纳米纤维复合凝胶墨水通过3D打印机打印成型，然后通过紫外光照射，获得所述的骨组织工程支架材料。

进一步地，所述的打印的温度为20～25℃。

进一步地，所述的紫外光波长为300～420nm，时间1～2min。

本发明的原理：本发明基于物理和化学双交联的方法，首先通过静电吸附作用，构建Fe3O4纳米粒子修饰的磁性淀粉样蛋白纳米纤维(amyloid fibril-Fe3O4，AF-Fe3O4)，并通过AF-Fe3O4与DNA分子和GelMA的物理相互作用，包括静电吸附和氢键作用，制备磁性纤维复合DNA/GelMA双网络凝胶墨水。进一步通过挤出式3D打印机评估凝胶墨水的打印成型性，后续通过紫外光照射3D打印凝胶支架以引入化学交联网络，可增强支架的力学强度和机械稳定性。同时，支架中的GelMA基质可赋予体系黏附细胞的功能；并且引入的磁性纳米蛋白纤维网络基质也能促进细胞黏附，其磁场响应特性还能刺激细胞表型改变，促进干细胞向成骨分化，可有效提升凝胶支架的促成骨活性，预期能够满足骨缺损临床治疗需求。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1) 本发明基于DNA和GelMA结合Fe3O4修饰蛋白纳米纤维，通过多重物理协同和化学交联作用，构建纳米复合动态双网络凝胶墨水；其中磁性蛋白纳米纤维赋予凝胶墨水细胞外基质纤维结构仿生及磁响应特性，从而调控3D打印凝胶支架成骨活性。

(2) 本发明通过控制反应条件(DNA浓度、磁性纳米纤维浓度和GelMA浓度等)，使所制备的纳米纤维复合动态双网络凝胶3D打印支架在保持优异细胞相容性的同时具有磁响应作用下的良好促干细胞成骨分化作用。