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一种甲基丙烯酸明胶凝胶的飞秒激光内部光聚合直写加工方法

阅读:4发布:2020-09-02

专利汇可以提供一种甲基丙烯酸明胶凝胶的飞秒激光内部光聚合直写加工方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种甲基 丙烯酸 明胶 水 凝胶的飞秒激光内部光聚合直写加工工艺,属于 生物 材料 加工及应用领域。所述方法包括:选取商业化的405nm吸收波段 水溶性 光引发剂;选取孟加拉玫瑰红作为 光敏剂 提高光引发剂的引发效率;配置可用于780nm中心 波长 的飞秒激光内部光聚合直写加工的甲基丙烯酸明胶(GelMA)水凝胶光敏性溶液;使用配置的甲基丙烯酸明胶(GelMA)水凝胶光敏性溶液进行飞秒激光直写加工确定所用配比的实验材料的加工特性。,下面是一种甲基丙烯酸明胶凝胶的飞秒激光内部光聚合直写加工方法专利的具体信息内容。

1.一种可用于飞秒激光内部光聚合直写加工的甲基丙烯酸明胶凝胶光敏性溶液,其特征在于,原材料包括:已冷冻干燥的GelMA水凝胶颗粒、VA-086光引发剂、孟加拉玫瑰红光敏剂、1×PBS缓冲液;所述的GelMA水凝胶颗粒,在光敏性溶液中所占比例为0.1g/mL;所述的VA-086光引发剂,在光敏性溶液中所占比例为0.01g/mL;所述的孟加拉玫瑰红光敏剂,在光敏性溶液中所占比例为0.01g/mL。
2.制备如权利要求1所述的一种可用于飞秒激光内部光聚合直写加工的甲基丙烯酸明胶水凝胶光敏性溶液的方法,其特征在于,将GelMA、VA-086光引发剂和孟加拉玫瑰红光敏剂加入到离心管中,再使用移液枪取1×PBS缓冲液加入同一离心管中;使用恒温水浴锅对离心管37℃温水浴加热10分钟;所述的声波振荡:使用超声波清洗仪对离心管超声波振荡10分钟;对配置好的甲基丙烯酸明胶水凝胶光敏性溶液进行过滤。
3.一种甲基丙烯酸明胶水凝胶的飞秒激光内部光聚合直写加工工艺,其特征在于:使用780nm波长飞秒激光在甲基丙烯酸明胶水凝胶光敏性溶液中进行飞秒激光光聚合直写加工,激光功率范围为5mW至16.5mW,激光扫描速度范围为5μm/s至200μm/s。

说明书全文

一种甲基丙烯酸明胶凝胶的飞秒激光内部光聚合直写加工

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及生物材料加工及应用领域,特别涉及一种甲基丙烯酸明胶(GelMA)水凝胶的飞秒激光内部光聚合直写加工工艺。

背景技术

[0002] 组织工程技术是涵盖了细胞生物学、工程科学、材料科学和医疗外科学等多个学科,实现损伤组织的修复或再生的技术。其基本原理与方法是:从机体的健康组织中分离出细胞,即种子细胞;使用具有优良生物相容性的材料加工出特定形状的三维结构,即组织工程支架;将种子细胞附着在组织工程支架上生长形成细胞组织–生物材料复合物,然后将复合物植入人体组织、器官的病损部位。随着细胞组织的不断增殖、分化,组织工程支架的生物材料逐渐被机体降解,最终形成形态、功能与相应组织、器官一致的新组织。组织工程支架使组织或器官再生成为了可能。
[0003] 使用780nm中心波长的飞秒激光进行光聚合直写加工制备天然类水凝胶组织工程支架是如今的一大研究热点。现有研究成果中,研究者通过合成D-π-A-π-D等具有对称化学结构的光引发剂,使用近红外波段的飞秒激光引发光聚合反应。
[0004] 但是新型光引发剂并未商业化,且合成难度较大。而商用光引发剂的吸收波段大多在355-405nm,而在800nm波段几乎没有吸收峰。因此在光敏性溶液中引入光敏剂提高光引发剂的引发效率为天然类水凝胶的飞秒激光光聚合直写加工提供了一种新的解决思路。而且天然类光引发剂的配置过程中大多使用的是PBS缓冲液,所以加工过程为水相加工,因此需要选用水溶性且生物兼容性优良的光引发体系配置光敏性溶液。

发明内容

[0005] 为了解决现有技术存在的问题,本发明提出了一种甲基丙烯酸明胶(GelMA)水凝胶的飞秒激光内部光聚合直写加工工艺。所述技术方案如下:
[0006] 首先,探索了一种可用于780nm飞秒激光光聚合直写加工的甲基丙烯酸明胶(GelMA)水凝胶光敏性溶液的材料配比,原材料包括:已冷冻干燥的GelMA水凝胶颗粒、VA-086光引发剂、孟加拉玫瑰红(rose bengal sodium)光敏剂、1×PBS缓冲液。其特征在于:
[0007] 冷冻干燥的GelMA水凝胶颗粒,在光敏性溶液中所占比例为0.1g/mL;
[0008] VA-086光引发剂,在光敏性溶液中所占比例为0.01g/mL;
[0009] 孟加拉玫瑰红(rose bengal sodium)光敏剂,在光敏性溶液中所占比例为0.01g/mL;
[0010] 1×PBS缓冲液,用于溶解配置光敏性溶液所需的原材料。
[0011] 制备所述的一种可用于飞秒激光内部光聚合直写加工的甲基丙烯酸明胶水凝胶光敏性溶液的方法,其特征在于,将GelMA、VA-086光引发剂和孟加拉玫瑰红光敏剂先后加入到离心管中,再使用移液枪取1×PBS缓冲液加入同一离心管中;使用恒温水浴锅对离心管37℃温水浴加热10分钟;所述的声波振荡:使用超声波清洗仪对离心管超声波振荡10分钟;对配置好的甲基丙烯酸明胶水凝胶光敏性溶液进行过滤。
[0012] 最后,研究了所配置实验材料的飞秒激光内部光聚合直写加工特性,其特征在于:
[0013] 使用780nm波长飞秒激光在甲基丙烯酸明胶(GelMA)水凝胶光敏性溶液中进行光聚合直写加工,利用不同激光功率和激光扫描速度预埋于玻璃基底的聚合物线扫描,可稳定加工的激光功率范围为5mW至16.5mW,激光扫描速度范围为5μm/s至200μm/s。在激光功率5mW、激光扫描速度10μm/s的加工参数下的得到253nm的最小加工分辨率
[0014] 本发明的材料加工机理是:
[0015] 对明胶进行官能团化,该过程中甲基丙烯酸酐的醚键断裂,明胶中的基脱氢,发生合成反应制备得到可发生交联的GelMA水凝胶单体
[0016] 使用超快激光在材料中诱发双光子吸收效应,VA-086光引发剂的吸收波长为405nm,对中心波长为780nm的飞秒激光光源无吸收。引入孟加拉玫瑰红(rose bengal sodium)光敏剂后,光敏剂先吸收两个光子被活化,然后将能量传递给VA-086光引发剂,光引发剂吸收能量裂解为自由基,自由基切断了单体或低聚物中的双键,互相结合成一个小链基。单体低聚物不断和之前形成的小链基结合形成更长的长链。直至两个链相互连接最终形成大长链或网状交联物反应终止。当光引发剂浓度足够大,光源能量足够强时,光敏溶液中GelMA单体上的绝大多数官能团通过甲基相互结合发生完全交联反应,最终聚合为网状交联物。当光引发剂浓度较小,光源能量较小时GelMA单体无法发生完全交联反应,单体上只有一部分官能团通过甲基相互结合发生交联,而其他官能团未发生交联,最终聚合为有机物长链,并未形成网状交联物。
[0017] 本发明带来的有益效果是:
[0018] 本发明所提出的一种甲基丙烯酸明胶(GelMA)水凝胶的飞秒激光内部光聚合直写加工工艺,选用商业化的405nm吸收波段VA-086作为光引发剂,引入商业化的孟加拉玫瑰红(rose bengal sodium)作为光敏剂提高了光引发剂的吸收效率,使商业化光引发体系成功应用于780nm中心波长飞秒激光的直写加工。大大降低了光敏性溶液的配置难度。附图说明
[0019] 图1是激光功率5mW、激光扫描速度10μm/s的加工参数下所得预埋于玻璃基底的聚合物线的最小线宽的SEM照片;
[0020] 图2是光引发体系引发链式聚合反应的过程图,其中I为光引发体系,R为自由基,M为单体低聚物,R-M为小链基,Mn为多聚物,R-Mn为链基。
[0021] 图3是甲基丙烯酸明胶(GelMA)水凝胶单体的光聚合机理,其中图(a)为完全交联反应,图(b)为不完全交联反应。

具体实施方式

[0022] 下面结合具体的实施方式对本发明作进一步详细的描述。
[0023] 1、可用于飞秒激光内部光聚合直写加工的甲基丙烯酸明胶(GelMA)水凝胶光敏性溶液的配置过程:
[0024] (1)、将GelMA、VA-086光引发剂和孟加拉玫瑰红(rose bengal sodium)光敏剂加入到离心管中,再使用移液枪取1mL PBS缓冲液加入同一离心管中;
[0025] (2)、加热,使用恒温水浴锅对离心管37℃温水浴加热10分钟;
[0026] (3)、超声波振荡,使用超声波清洗仪对离心管超声波振荡10分钟;
[0027] (4)、过滤,使用0.22μm的针头式过滤器对配置好的甲基丙烯酸明胶(GelMA)水凝胶光敏性溶液进行过滤。
[0028] 2、一种甲基丙烯酸明胶(GelMA)水凝胶的飞秒激光内部光聚合直写加工过程:
[0029] (1)、本实验选用32×24mm、厚度0.15mm的玻璃片作为样品的基底,加工前预先在玻璃片中心做十字标记以便于观察加工的三维结构的位置,然后依次使用清洁剂、去离子水和酒精对玻璃片进行超声清洗各10分钟后保存备用。
[0030] (2)、取预处理好的玻璃片固定在三维位移平台上,放置厚度为100μm的“回”字形垫片,取30-50μL水凝胶光敏溶液滴加在垫片中心,然后使用20×20mm的盖玻片封盖溶液。
[0031] (3)、飞秒激光束经过扩束后由反射镜实现光路方向的改变并引入油浸聚焦物镜,通过下曝光的方式使飞秒激光聚焦在光敏性溶液中。通过激光焦点在光敏性溶液中的相对位移实现选择性固化
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