CN102488569B - 一种立体微流道多孔支架的分层制造方法 - Google Patents

Abstract

一种立体微流道多孔支架的分层制造方法，先模拟自然器官的微观结构，制造出具有仿血管系统的微流道结构的树脂模具，然后用硅橡胶翻制出微流道结构的负型，再用生物材料溶液填充负型，硅橡胶模具上移使生物材料溶液与超低温平板垂直接触，待生物材料溶液凝固后，硅橡胶模具下移以实现生物材料冰冻结构脱模，通过重复生物材料溶液填充与硅胶模具上下移动，实现具有立体微流道支架的精确层间定位与冷冻凝结成形，获得生物材料立体冰冻结构，将超低温平板与生物材料立体冰冻结构真空冻干，获得具有立体微流道系统与定向多孔结构的生物材料支架，本发明具有直接成形包含复杂空间微流道系统和定向多孔结构的立体器官支架的优点。

Description

一种立体微流道多孔支架的分层制造方法

技术领域

本发明涉及水溶性生物材料人工器官支架的生物制造技术领域，具体涉及一种立体微流道多孔支架的分层制造方法。

背景技术

组织工程通过将特定细胞种植在生物可降解多孔支架上，在体外或体内构建出具有生物活性与功能的人工器官替代物，有望从根本上解决当前器官移植手术的供需矛盾。目前，通过脱细胞器官支架进行人工心脏、肝脏及肺的工程化制造方面的研究取得了一定突破，其核心是采用了天然细胞外基质材料及保留了自然器官的血管网系统，这提示传统的多孔组织工程支架在材料上要尽量接近细胞外基质，而在结构上需包含仿天然血管网络的微流道系统。但是，与细胞外基质接近的生物材料多为水溶性天然材料如胶原蛋白，明胶，壳聚糖、丝素蛋白等，其机械成形性能较差，很难精确制造出具有空间复杂微流道系统的立体结构，目前成形的多为多孔支架、平面微结构支架或手动叠加或卷裹形成的三维支架。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种立体微流道多孔支架的分层制造方法，具有直接成形包含复杂空间微流道系统和定向多孔结构的立体器官支架的优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种立体微流道多孔支架的分层制造方法，包括以下步骤：

1)模拟自然器官的微观组织结构，采用计算机辅助软件Pro/Engineer、UG或CorelDraw设计出具有仿血管系统的微流道结构支架的数字模型或掩膜，

2)利用快速成形或微制造技术制造出支架的物理原型，然后利用液态硅橡胶在真空条件下填充支架的物理原型，凝固脱模后可获得支架微流道结构的负型，硅橡胶单体与固化剂质量比介于100∶1-100∶3，

3)用氧等离子体照射硅橡胶模具结构的负型表面，然后将其固定在三维移动工作台上，并用质量分数为1％-10％的水溶性生物材料溶液填充微流道结构的负型，水溶性生物材料包括胶原蛋白、明胶、壳聚糖、丝素蛋白、海藻酸钠或者它们的混合物，当采用它们的混合物时，其间为任意比例，

4)调节三维移动工作台向上移动距离H，使硅橡胶模具内的水溶性生物材料溶液与超低温金属平板或玻璃平板垂直接触，待水溶性生物材料溶液冷冻凝固后，调节三维移动工作台下移实现生物材料冰冻结构与硅橡胶模具的脱模，以完成第一层微流道结构的成形，冰冻结构的厚度T等于硅橡胶模具的结构负型深度，所述的超低温为-60℃至-180℃之间，

5)然后通过重复步骤3)的水溶性生物材料溶液填充和步骤4)，以实现具有多层微流道结构的支架的精确层间定位与冷冻凝结成形，获得生物材料立体冰冻结构，其中第N层结构成形时，工作台需向上移动的距离计算为H-(N-1)*T，其中，N≥2，

6)将超低温金属平板或玻璃平板与生物材料立体冰冻结构一起放入真空冻干机，冷井温度为-90℃，2-5天后可获得具有立体微流道系统与定向多孔结构的生物材料支架。

本发明提出的低温模具压印成形、精确层层定位粘结与单向冷冻干燥技术相结合的支架成形方法，将有利于解决利用水溶性生物材料直接进行具有复杂微流道系统和定向多孔结构的器官支架的制造难题。每层支架的厚度与微流道结构的精度由硅橡胶模具决定，而硅橡胶模具则可通过先进制造技术如微制造、快速成形技术制造，自然器官血管系统内尺寸最小的毛细血管能够达到5μm，在微制造技术所能成形的尺度范围内，快速成形技术则可实现微观血管系统与定制化宏观外形的一体化成形。同时，支架微流道结构是依靠生物材料水溶液在模具内的低温凝固成形，这对支架材料自身性能没有特殊要求，从而极大降低了先进制造技术对成形材料的选择性，拓宽了先进制造技术在器官制造领域的应用。按需供量的生物材料溶液填充方式，可保证极高的材料利用率，对于价格昂贵的生物材料是一种经济有效的成形方法，而低温成形过程则有利于保持支架材料内生物活性物质如生长因子的活性。此外，由于支架材料溶液是通过低温金属或玻璃平板向下定向冷冻凝固，将有利于冰晶的定向生长，使得冷冻干燥获得的支架不仅具有预先设计的微流道系统，还具有定向的多孔结构，这将极大提高立体支架内的氧气与营养传递，从而促进细胞生长与组织再生。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做详细描述。

实施例1

一种立体微流道多孔支架的分层制造方法，包括以下步骤：

1)模拟自然肝脏的肝小叶结构，采用计算机辅助软件Pro/Engineer设计出具有仿肝小叶血管系统的微流道结构支架的数字模型，其中，支架的数字模型的外形为圆柱体，直径为10mm，数字模型的表面设计有微流道系统，微流道宽度为300μm-1mm，深度为0.5mm，单层支架厚度为2mm，

2)利用快速成形技术制造出支架的物理原型，然后将液态硅橡胶在真空条件下填充支架的物理原型，真空负压为0.06-0.1MPa，然后在80℃条件下静置2小时使硅橡胶固化，脱模后可获得支架微流道结构的负型，硅橡胶单体与固化剂质量比为100∶2，

3)采用氧等离子体照射硅橡胶模具结构的负型表面1分钟，以提高其亲水性；然后将其固定在三维移动工作台上，并用质量分数为5％的丝素蛋白水溶液填充微流道结构的负型，为实现按需供量填充，在Pro/Engineer里计算支架的数字模型体积为91.7mm³，因此每次需向微流道结构的负型填充的丝素蛋白水溶液体积为91.7μL，

4)调节三维移动工作台向上移动距离H为5cm，使硅橡胶模具内的丝素蛋白水溶液与超低温玻璃平板垂直接触，超低温玻璃平板通过玻璃平板与-78℃的干冰介质接触而获得，待丝素蛋白水溶液冷冻凝固后，调节三维移动工作台再向下移动5cm，实现丝素蛋白冰冻结构与硅橡胶模具的脱模，从而完成第一层微流道结构的成形，冰冻结构的厚度T为2mm，

5)然后通过重复步骤3)丝素蛋白水溶液填充和步骤4)，以实现具有多层微流道结构的支架的精确层间定位与冷冻凝结成形，获得丝素蛋白立体冰冻结构，其中第N层结构成形时，工作台需向上移动的距离计算为H-(N-1)*T，其中，N≥2，经计算实际为52-2N，单位为mm，

6)将超低温玻璃平板与丝素蛋白立体冰冻结构一起放入真空冻干机，冷井温度为-90℃，真空度为10-100Pa，3天后可获得具有立体微流道系统与定向多孔结构的丝素蛋白支架。

实施例2

一种立体微流道多孔支架的分层制造方法，包括以下步骤：

1)模拟自然肝脏的肝小叶结构，采用计算机辅助软件CorelDraw设计出具有仿肝小叶血管系统的微流道结构支架的数字掩膜，其中，支架的外形为圆柱体，直径为5mm，微流道宽度为5μm-500μm，

2)利用微制造技术制造出支架的物理原型，然后将液态硅橡胶在真空条件下填充支架的物理原型，真空负压为0.06-0.1MPa，然后在80℃条件下静置2小时使硅橡胶固化，脱模后可获得支架微流道结构的负型，负型深度为300μm，硅橡胶单体与固化剂质量比为100∶2，

3)采用氧等离子体照射硅橡胶模具结构的负型表面1分钟，以提高其亲水性；然后将其固定在三维移动工作台上，并用质量分数为2％的壳聚糖水溶液填充微流道结构的负型，

4)调节三维移动工作台向上移动距离H为3cm，使硅橡胶模具内的壳聚糖水溶液与超低温金属平板垂直接触，超低温金属平板通过金属平板与-180℃的液氮介质直接接触而获得，待壳聚糖水溶液冷冻凝固后，调节三维移动工作台再向下移动3cm，实现壳聚糖冰冻结构与硅橡胶模具的脱模，从而完成第一层微流道结构的成形，冰冻结构的厚度T为300μm，

5)然后通过重复步骤3)的壳聚糖水溶液填充和步骤4)，以实现具有多层微流道结构的支架的精确层间定位与冷冻凝结成形，获得壳聚糖立体冰冻结构，其中第N层结构成形时，工作台需向上移动的距离计算计算为H-(N-1)*T，其中，N≥2，经计算实际为30.3-0.3N，单位为mm，

6)将超低温金属平板与壳聚糖立体冰冻结构一起放入真空冻干机，真空度为10-100Pa，冷井温度为-90℃，2天后可获得具有立体微流道系统与定向多孔结构的壳聚糖支架。

Claims (3)

1.一种立体微流道多孔支架的分层制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）模拟自然器官的微观组织结构，采用计算机辅助软件Pro/Engineer、UG或CorelDraw设计出具有仿血管系统的微流道结构支架的数字模型或掩膜，

2）利用快速成形或微制造技术制造出支架的物理原型，然后利用液态硅橡胶在真空条件下填充支架的物理原型，凝固脱模后可获得支架微流道结构的负型，硅橡胶单体与固化剂质量比介于100:1-100:3，

3）用氧等离子体照射硅橡胶模具结构的负型表面，然后将其固定在三维移动工作台上，并用质量分数为1%-10%的水溶性生物材料溶液填充微流道结构的负型，水溶性生物材料包括胶原蛋白、明胶、壳聚糖、丝素蛋白、海藻酸钠或者它们的混合物，当采用它们的混合物时，其间为任意比例，

4）调节三维移动工作台向上移动距离H，使硅橡胶模具内的水溶性生物材料溶液与超低温金属平板或玻璃平板垂直接触，待水溶性生物材料溶液冷冻凝固后，调节三维移动工作台下移实现生物材料冰冻结构与硅橡胶模具的脱模，以完成第一层微流道结构的成形，冰冻结构的厚度T等于硅橡胶模具的结构负型深度，所述的超低温为-60℃至-180℃之间，

5）然后通过重复步骤3）的水溶性生物材料溶液填充和步骤4），以实现具有多层微流道结构的支架的精确层间定位与冷冻凝结成形，获得生物材料立体冰冻结构，其中第N层结构成形时，工作台需向上移动的距离计算为H-(N-1)*T，其中，N≥2，

6）将超低温金属平板或玻璃平板与生物材料立体冰冻结构一起放入真空冻干机，冷井温度为-90℃，2-5天后可获得具有立体微流道系统与定向多孔结构的生物材料支架。

2.根据权利要求1所述的一种立体微流道多孔支架的分层制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）模拟自然肝脏的肝小叶结构，采用计算机辅助软件Pro/Engineer设计出具有仿肝小叶血管系统的微流道结构支架的数字模型，其中，支架的数字模型的外形为圆柱体，直径为10mm，数字模型的表面设计有微流道系统，微流道宽度为300μm-1mm，深度为0.5mm，单层支架厚度为2mm，

2）利用快速成形技术制造出支架的物理原型，然后将液态硅橡胶在真空条件下填充支架的物理原型，真空负压为0.06-0.1MPa，然后在80℃条件下静置2小时使硅橡胶固化，脱模后可获得支架微流道结构的负型，硅橡胶单体与固化剂质量比为100:2，

3）采用氧等离子体照射硅橡胶模具结构的负型表面1分钟,以提高其亲水性；然后将其固定在三维移动工作台上，并用质量分数为5%的丝素蛋白水溶液填充微流道结构的负型，为实现按需供量填充，在Pro/Engineer里计算支架的数字模型体积为91.7mm3，因此每次需向微流道结构的负型填充的丝素蛋白水溶液体积为91.7μL，

4）调节三维移动工作台向上移动距离H为5cm，使硅橡胶模具内的丝素蛋白水溶液与超低温玻璃平板垂直接触，超低温玻璃平板通过玻璃平板与-78℃的干冰介质接触而获得，待丝素蛋白水溶液冷冻凝固后，调节三维移动工作台再向下移动5cm，实现丝素蛋白冰冻结构与硅橡胶模具的脱模，从而完成第一层微流道结构的成形，冰冻结构的厚度T为2mm，

5）然后通过重复步骤3）丝素蛋白水溶液填充和步骤4），以实现具有多层微流道结构的支架的精确层间定位与冷冻凝结成形，获得丝素蛋白立体冰冻结构，其中第N层结构成形时，工作台需向上移动的距离计算为H-(N-1)*T，其中，N≥2，经计算实际为52-2N，单位为mm，

6）将超低温玻璃平板与丝素蛋白立体冰冻结构一起放入真空冻干机，冷井温度为-90℃，真空度为10-100Pa，3天后可获得具有立体微流道系统与定向多孔结构的丝素蛋白支架。

3.根据权利要求1所述的一种立体微流道多孔支架的分层制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）模拟自然肝脏的肝小叶结构，采用计算机辅助软件CorelDraw设计出具有仿肝小叶血管系统的微流道结构支架的数字掩膜，其中，支架的外形为圆柱体，直径为5mm，微流道宽度为5μm-500μm，

2）利用微制造技术制造出支架的物理原型，然后将液态硅橡胶在真空条件下填充支架的物理原型，真空负压为0.06-0.1MPa，然后在80℃条件下静置2小时使硅橡胶固化，脱模后可获得支架微流道结构的负型，负型深度为300μm，硅橡胶单体与固化剂质量比为100:2，

3）采用氧等离子体照射硅橡胶模具结构的负型表面1分钟,以提高其亲水性；然后将其固定在三维移动工作台上，并用质量分数为2%的壳聚糖水溶液填充微流道结构的负型，

4）调节三维移动工作台向上移动距离H为3cm，使硅橡胶模具内的壳聚糖水溶液与超低温金属平板垂直接触，超低温金属平板通过金属平板与-180℃的液氮介质直接接触而获得，待壳聚糖水溶液冷冻凝固后，调节三维移动工作台再向下移动3cm，实现壳聚糖冰冻结构与硅橡胶模具的脱模，从而完成第一层微流道结构的成形，冰冻结构的厚度T为300μm,

5）然后通过重复步骤3）的壳聚糖水溶液填充和步骤4），以实现具有多层微流道结构的支架的精确层间定位与冷冻凝结成形，获得壳聚糖立体冰冻结构，其中第N层结构成形时，工作台需向上移动的距离计算计算为H-(N-1)*T，其中，N≥2，经计算实际为30.3-0.3N，单位为mm，

6）将超低温金属平板与壳聚糖立体冰冻结构一起放入真空冻干机，冷井温度为-90℃，真空度为10-100Pa，2天后可获得具有立体微流道系统与定向多孔结构的壳聚糖支架。