CN102525688A

CN102525688A - 一种同时具有内部微结构和个性化外形的组织工程支架的制造方法

Info

Publication number: CN102525688A
Application number: CN2011104050415A
Authority: CN
Inventors: 刘云峰; 周根; 廖文清
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2012-07-04

Abstract

一种同时具有内部微结构和个性化外形的组织工程支架的制造方法，包括如下步骤：1)支架结构的负形设计；2)用三维立体碏型打印机打印多孔结构支架负型；3)将具有自凝或热凝特性的生物材料用溶液如生理盐水调匀成浆状，灌注入多孔结构支架负型的孔中，冷却凝固，并将支架表面多余的生物材料刮去；4)将灌注后的支架负型置入加热炉中加热至高于支架蜡型的熔点温度，并保温1～5分钟，使得石碏熔化消失，而生物材料固化，得到生物材料支架；用生理盐水冲洗生物材料支架，得到同时具有内部微结构和个性化外形的组织工程支架。本发明具有较广的生物材料适应性、内部微结构可控、可实现同时具有内部微结构和个性化外形的组织工程支架制作。

Description

一种同时具有内部微结构和个性化外形的组织工程支架的制造方法

技术领域

本发明涉及一种组织工程支架的制造方法。

背景技术

组织工程是应用工程与生命科学的原理与方法研制人工生物材料以便恢复、维持或改善缺损组织的功能。组织工程作为面向移植而产生功能组织和器官的科学和技术，集成了CT/MRI等图像测量技术、三维重建技术、快速原型技术、材料工程技术、生物工程技术等不同的学科领域。其基本原则是在生长因子和营养液的支持下，种子细胞在特殊材料制成的支架中生长和扩张，最终形成支架引导的三维组织。该三维组织移植到病人身体中，完成缺损组织的重建，并最终替代病变组织的功能。

组织能够再生主要在于组织支架的结构上的可成形性和支架在种子细胞作用下的生物反应器功能。为了满足组织的再生和重建，支架的结构必须满足多孔性、连通性、良好的力学性能以及孔隙率要求。另一方面，为了重塑缺损部位的外形，组织支架还必须具有与缺损组织一致的外部形状，特别是对于面部组织缺损的情况如下颌骨，需要与病人面部数据一致的个性化支架外形。因此，理想的支架是由具有个性化外形和内部呈一定规律分布的微结构组成的复杂三维结构，传统的制造方法无法解决支架的制造问题。另外，支架的制造材料必须满足生物相融性、可降解性、可吸收性和良好的生物力学性能，所采用的制造方法必须与材料的性能相适应。

目前组织工程支架结构设计的研究已经很丰富，开发出了许多切实可行的设计方法，但这些具有复杂微结构和个性化外形的组织支架的三维模型要转化成实际的物理模型还面临一些实际的困难，设计意图无法成为现实。目前支架的制造方法主要有直接快速成型、三维立体编织与浇注成型、发泡、酸碱中和法等方法，这些方法在材料使用和微结构的实现方面存在一些不足。比如快速成型制造虽然可以直接成型任意复杂结构，非常适合支架的制作，但受成型原理(如紫外光固化、激光粉末烧结等)的限制，只能对某些特定的生物材料进行成型，而且制造的工艺参数不易控制。

发明内容

为了克服已有组织工程支架制造技术在内部微结构控制、内部微结构和个性化外形复合、生物材料适应性等方面的不足，本发明提供一种可实现同时具有可控内部微结构和个性化外形、并具有较广的材料适应性的组织工程支架制造的新方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种同时具有可控内部微结构和个性化外形的组织工程支架的制造方法，所述制造方法包括如下步骤：

1)支架结构的负形设计

1.1)设计支架的个性化外形：首先运用基于图像的三维重建技术，将骨骼缺损部位的三维模型通过CT数据重建出来，然后通过镜像算法或曲面设计方法得到修复模型，从该修复模型上分离出缺损部位的形状就是待制造的组织工程支架的个性化外形模型；

1.2)设计多孔微结构：设计具有孔隙率和结构形式的支架微结构阵列，且所述微结构为具有任意全联通的内部微结构；

1.3)用所述个性化外形模型与所述支架微结构阵列作布尔减运算，得到支架结构负型；

2)用三维立体碏型打印机打印支架多孔结构负型；

3)将具有自凝或热凝固特性的生物材料用溶液如纯水或生理盐水调匀成糊状，灌注入支架多孔结构负型的孔中，冷却凝固，并将支架表面多余的生物材料刮去；

4)将灌注后的支架负型置入加入炉中加热至高于支架蜡型的熔点温度，并保温1～5分钟，使得石碏熔化消失，而生物材料固化，得到生物材料支架；用生理盐水冲洗生物材料支架，得到具有内部微结构和个性化外形的组织工程支架。

作为优选的一种方案：所述步骤3)中，灌注时将所述支架多孔结构负型放置于振动台上。

进一步，所述生物材料为生物陶瓷类材料，所述生物陶瓷类材料为羟基磷灰石。当然，所述生物材料也可以采用其他自凝或热凝固特性的生物材料，例如生物陶瓷类材料如羟基磷灰石、或者生物高分子材料如聚己内酯PCL、或者生物陶瓷与生物高分子材料的混合物。

本发明的技术构思为：本发明运用三维立体打印技术和加热消失模技术，实现同时具有个性化外形和内部任意设计微结构的支架的可控制造，同时该方法具有较广的材料适应性。

本发明的有益效果主要表现在：较广的材料适应性、内部微结构可控、实现同时具有内部微结构和个性化外形的组织工程支架制作。

附图说明

图1是下颌骨缺损部位通过镜像算法得到修复模型的示意图，其中a是下颌骨的原形，可以看到左下颌骨因为肿瘤产生了缺损部分，图b是通过镜像算法得到重合的原形骨骼和对称骨骼模型，图c将上述两个模型通过曲面裁剪得到缺损部位的修复体和裁剪原形，图d是合并后得到完整的修复模型。

图2是从修复模型上分离得到的支架外部结构的形状的示意图。

图3是支架微结构阵列的示意图。

图4是支架结构负型的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种同时具有可控内部微结构和个性化外形的组织工程支架的制造方法，所述制造方法包括如下步骤：

1)支架结构的负形设计

2)用三维立体碏型打印机打印支架多孔结构负型；

3)将具有自凝或热凝固特性的生物材料(如生物陶瓷类材料如羟基磷灰石、或者生物高分子材料如聚己内酯PCL、或者生物陶瓷与生物高分子材料的混合物)用溶液如纯水或生理盐水调匀成糊状，灌注入支架多孔结构负型的孔中，冷却凝固，并将支架表面多余的生物材料刮去；

4)将灌注后的支架负型置入加入炉中加热至高于支架蜡型的熔点温度(例如50℃，当然，根据不同的石蜡部分，熔点温度可能会有变化)，并保温1～5分钟，使得石碏熔化消失，而生物材料固化，得到生物材料支架；用生理盐水冲洗生物材料支架，得到具有内部微结构和个性化外形的组织工程支架。

本实施例以下颌骨支架为例进行说明，其制造过程包括如下步骤：

1)支架结构的负形设计

1.1)设计支架的个性化外形：首先运用基于图像的三维重建技术，将骨骼缺损部位的三维模型通过CT数据重建出来，然后通过镜像算法或曲面设计方法得到修复模型，从该修复模型上分离出缺损部位的形状就是支架的外部形状。图1所示的下颌骨缺损部位通过镜像算法得到修复模型，图2是从修复模型上分离得到的支架外部结构的形状。

1.2)设计多孔微结构：按照设计意图，设计具有一定孔隙率和结构形式的支架微结构阵列。如图3所示。

1.3)用个性化外形模型与微结构阵列作布尔减运算，得到支架结构负型。如图4所示。

2)用三维立体碏型打印机打印多孔结构支架负型：3D System公司的CP3000系列三维立体打印机以石蜡作为材料，打印支架负型。其分层厚度为0.035毫米，用于打印的石蜡材料熔点为50摄氏度，打印范围200毫米×200毫米×200毫米，用于打印多孔结构支架负型。其它符合要求的以石蜡作为加工材料的三维立体打印机也可以用于打印支架负型。

3)将生物材料羟基磷灰石(HA)用生理盐水调匀成浆状，灌注入多孔结构支架负型的孔中，灌注时放置于振动台上进行，保证灌注入足量的材料并填满。灌注完成后冷却凝固，并将支架表面多余的HA刮去。

4)将灌注并且凝固后的支架负型置入加入炉中加热至85摄氏度，并保温2分钟，使石碏充分熔化消失，而生物材料HA固化，得到完整的生物材料支架。用生理盐水冲洗后即可用于组织工程培养。

Claims

1.一种同时具有可控内部微结构和个性化外形的组织工程支架的制造方法，其特征在于：所述制造方法包括如下步骤：

1)支架结构的负形设计

2)用三维立体碏型打印机打印支架多孔结构负型；

3)将具有自凝或热凝固特性的生物材料用生理盐水调匀成糊状，灌注入支架多孔结构负型的孔中，冷却凝固，并将支架表面多余的生物材料刮去；

4)将灌注后的支架负型置入加入炉中加热至高于支架蜡型的熔点温度，并保温1～5分钟，使得石碏熔化消失，而生物材料羟基磷灰石固化，得到生物材料支架；用生理盐水冲洗生物材料支架，得到内部微结构和个性化外形的组织工程支架。

2.如权利要求1所述的一种同时具有可控内部微结构和个性化外形的组织工程支架的制造方法，其特征在于：所述步骤3)中，灌注时将所述支架多孔结构负型放置于振动台上。

3.如权利要求1或2所述的一种同时具有可控内部微结构和个性化外形的组织工程支架的制造方法，其特征在于：所述生物材料为生物陶瓷类材料，所述生物陶瓷类材料为羟基磷灰石。