CN103120808B - 一种三维软体支架的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于体内器官替换的人工器官软体支架的制备方法，属于生物工程技术领域。该方法首先对病患个体器官进行CT或MRI扫描，获取一组从下至上共N层关于该器官、组织部位的断层图像，并将所得模型数据导入生物成型机；然后取用病患个体的器官组织细胞进行培养，从而获取含有特定细胞密度的组织细胞悬浮液，并将培养所得的具有特定细胞密度的组织细胞悬浮液与水凝胶按一定体积比均匀混合；最后通过自制生物成型机打印组织细胞悬浮液与凝胶的混合物，从而实现器官软体支架的制备。本发明采用了活体组织细胞与凝胶来制备软体支架，同时软体支架制备的微结构和外形得到了有效的控制，满足了病患的个体差异和不同部位对器官软体支架的需求。

Description

一种三维软体支架的制备方法

技术领域：

本发明涉及一种用于体内器官替换的人工器官软体支架的制备方法，该方法是一种组织工程三维软体支架的制备方法，属于生物工程技术领域。

背景技术：

由于疾病、衰老、事故和战争等导致的器官缺损常见于媒体和临床病例中。解决这一问题最有效的方法是对缺损器官进行人工替代。而人工替代生物主要途径有以下两个：一是采用自体或异体器官移植,然而，供体的匮乏和排斥反应一直制约着组织器官移植；二是采用人工器官。传统的人工器官常用金属、陶瓷或高分子材料制作。由于这种人造器官的内部结构、生物活性和可降解性方面的不完备性，替代效果不甚理想。为了克服这些局限，组织工程为体外培养活体组织器官提供了可能，它有望恢复人体器官组织更多的生化功能，基于此目的，我们提出了一种三维软体支架的制备方法。

由于不同的器官具有特定的内部微结构，故根据个体差异制备不同特定组织结构器官软体支架是对现有人工器官制备的创新和探索。发明专利CN102525688A公开了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，该方法首先用三维立体蜡型打印机打印多孔结构的负型；然后将具有自凝或热凝特性的生物材料用溶液或生理盐水均匀成浆状，灌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；最后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，持续加热至石蜡熔化消失，并用生理盐水对其进行冲洗，从而得到同时具有内部微结构和个性化外形的组织工程支架。

该方法的优点是：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的制备。但是该方法仍然存在如下问题及不足：首先，需要设计及制造支架结构负型，延长了支架的制作时间，提高了成本；其次，支架需要经过高温处理，这无形就增加了生物支架的污染几率；最后，该方法不能用于制备人工器官的软体支架。

公开号为CN1363400A的专利中公开了一种体内可降解的复合肝支架及其制备方法。其特征是该支架呈纺锤形，它含有外套、致密层、血液空腔及内部带管道的海绵体。制备方法是先将可降解高分子溶液倒入纺锤形模具中制成海绵体，将海绵体外壁涂一层可降解高分子溶液后在交联剂中浸泡，形成外层致密，内层带多管道、多孔的支持体；将支持体再交联后制得复合支持体；将复合支持体中的凝胶态物质溶解后即在外套内形成血液空腔；干燥后在抗凝血药物中浸泡，并在丙酮溶液中缩聚，从而制得具有抗凝血的多管道、多层的复合肝支架材料。

该方法的特点是：所得支架可使内皮细胞与肝细胞在管道与孔隙中充分生长、分裂，以便于后期体内植入时微血管的形成及肝细胞数量的要求。但其同样也存在不足：该方法处理工序较为复杂，支架制备的微结构和外形不能得到可控，其成型需依靠模具，很难满足支架内部细胞的营养、氧气及代谢产物等物质的供给与排泄；同时该制备方法的使用具有一定的局限性，对于大部分的器官支架的制备并不适用。

发明内容：

为了克服现有技术不能制备具有特定内部微结构的器官软体支架，且难以满足病患个体差异和不同部位对器官软体支架的需求，本发明提出了一种三维软体支架的制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种三维软体支架的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、对被替换器官、组织进行CT或MRI扫描，获取一组从下至上共N层关于该器官、组织部位的断层图像，并将所得模型数据输入生物成型机；其中，层间距为Δh，第i份截面图形面积为A_i，其中Δh的大小为喷头孔道直径d的大小；

步骤2、取用病患个体的器官组织细胞进行培养，细胞培养液为高糖DMEM培养液，经过多次传代达到需求数量，使用前用胰酶消化，并加入DMEM细胞培养液从而制备出具有特定细胞密度的细胞悬浮液；

步骤3、根据临床需求配制具有一定PVA浓度的PVA水溶液，并将该溶液与步骤2所得到的组织细胞悬浮液均匀混合，并将该混合体装入生物成型机的储液腔，给成型机的墨泵施加气压，以使组织细胞悬浮液与PVA水凝胶混合体从生物成型机喷头顺利挤出；同时将步骤1中输出的N份二维截面图形导入生物成型机；

步骤4、i＝1；启动生物成型机，在成型机工作台上均匀的铺上一层组织细胞悬浮液与PVA水凝胶混合体；

步骤5、把第i层组织细胞悬浮液与PVA水凝胶混合体喷洒到第i-1层混合体上，形成第i层，在低温或紫外线光照环境等特定环境下进行交联作用，使其定型；

步骤6、判断i值，如果i＜N,则i＝i+1，进入步骤5；否则，进入步骤7；

步骤7、软体支架制作完毕，取出支架；将该器官支架复合物置于生物反应后器，连接到体外动态灌流系统平台中，加入预热的培养液后进行动态培养。

本发明的有益效果是：

1）本发明的器官软体支架制备过程无需烧除，而是利用了器官自身组织细胞来制备器官软体支架，从而保证了支架的一次成型，不必考虑去除支架结构负型，减少了软体支架制备过程中对软体支架的污染几率，同时避免了因支架移植而产生的排异性，使得病患的健康能得到快速的恢复。

2)本发明运用了生物成型机，该设备可以根据病患的个体差异和不同部位对器官软体支架的需求来制备满足特定需求的器官软体支架，比如支架内部微结构和外形等特征都能得到满足，从而实现了对组织工程支架内部复杂结构的可控性制造。

3）本发明实现了软体支架的快速成型，与传统的支架制备相比，效率得到了显著的提高，同时质量也得到了很好的保证，此外还实现了器官软体支架的可定制，有望避免因找不到合适的替代器官而导致的伤亡。

该方法首先对病患个体器官进行CT或MRI扫描，获取一组从下至上共N层关于该器官、组织部位的断层图像，并将所得模型数据导入生物成型机；然后取用病患个体的器官组织细胞进行培养，从而获取含有特定细胞密度的组织细胞悬浮液，并将培养所得的具有特定细胞密度的组织细胞悬浮液与水凝胶按一定体积比均匀混合；最后通过生物成型机打印组织细胞悬浮液与凝胶的混合物，从而实现器官软体支架的制备。为了实现器官软体支架的一次成型、避免免疫排斥现象、减免制备过程中因热处理对软体支架污染与活性破坏，本发明采用了活体组织细胞与凝胶来制备软体支架，同时通过采用生物成型机，使得软体支架制备的微结构和外形得到了有效的控制，从而满足了病患的个体差异和不同部位对器官软体支架的需求。

附图说明：

图1是实施例1中制备出的肝细胞支架照片

具体实施实例

本实施例中采用原代肝细胞制备肝组织支架，来描述三维软体支架的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、对被替换肝脏进行CT或MRI扫描，获取一组从下至上共30层的关于该器官、组织部位的断层图像，层间距为Δh，第i份截面图形面积为A_i，其中Δh的大小为喷头孔道直径大小，此处我们取喷头孔道直径为0.3mm，即Δh＝0.3mm；

步骤2、取用1.0×10⁶个病患原代肝细胞进行培养，细胞培养液为高糖DMEM培养液，每100ml培养液中添加有10ml胎牛血清、29.2mg谷氨酰胺和10mg青霉素/链霉素，经过多次传代已达到需求数量，使用前用胰酶消化，而后将所得肝细胞提取出来，最后加入DMEM细胞培养液从而制备出细胞密度为7.0×10⁸细胞/ml的细胞悬浮液；

步骤3、取PVA质量百分含量为25%的水凝胶材料，并将其与步骤2所得到的组织细胞悬浮液按2：3的体积比均匀混合，并将该混合体装入生物成型机的储液腔，给成型机的墨泵施加一个6～8atm的气压，使组织细胞悬浮液与PVA水凝胶混合体从生物成型机喷头顺利挤出；同时将步骤1中输出的30份二维截面图形导入生物成型机；

步骤4、i＝1；启动生物成型机，在成型机工作台上均匀地铺上一层组织细胞悬浮液与PVA水凝胶的混合体；

步骤5、把第i层组织细胞悬浮液与PVA水凝胶混合体喷洒到第i-1层混合体上，形成第i层，并在紫外线光照环境下进行交联作用，使其定型；

步骤6、判断i值，如果i＜30,则i＝i+1，重复步骤5；否则，进入下一步；

步骤7、软体支架制作完毕，取出支架；将该肝细胞支架复合物置于生物反应器中，并连接到体外动态灌流系统平台，加入预热的培养液后进行动态培养。

Claims (1)

1.一种三维软体支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 

步骤1、对被替换器官、组织进行CT或MRI扫描，获取一组从下至上共N层关于该器官、组织部位的断层图像，并将所得模型数据输入生物成型机；其中，层间距为Δh，第i份截面图形面积为A_i，其中Δh的大小为喷头孔道直径d的大小； 

步骤2、取用病患个体的器官组织细胞进行培养，细胞培养液为高糖DMEM培养液，经过多次传代达到需求数量，使用前用胰酶消化，并加入DMEM细胞培养液从而制备出具有特定细胞密度的细胞悬浮液； 

步骤3、根据临床需求配制PVA质量百分含量为25％的PVA水溶液，并将该溶液与步骤2所得到的组织细胞悬浮液均匀混合形成混合体，将该混合体装入生物成型机的储液腔，给成型机的墨泵施加气压，以使组织细胞悬浮液与PVA水溶液混合体从生物成型机喷头顺利挤出；同时将步骤1中输出的N份二维截面图形导入生物成型机； 

步骤4、i＝1；启动生物成型机，在成型机工作台上均匀地铺上一层组织细胞悬浮液与PVA水溶液混合体； 

步骤5、把第i层组织细胞悬浮液与PVA水溶液混合体喷洒到第i-1层混合体上，形成第i层，进行交联作用使其定型； 

步骤6、判断i值，如果i＜N,则i＝i+1，进入步骤5；否则，进入步骤7； 

步骤7、软体支架制作完毕，取出支架；将该器官支架复合物置于生物反应器中，连接到体外动态灌流系统平台中，加入预热的培养液后进行动态培养。