CN103919629A - 一种韧性组织结构及其3d打印成形设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种韧性组织结构及其3D打印成形设备和方法，属于复合材料、组织工程和医疗器械领域。本发明的韧性组织结构为立体结构，包括纤维层和水凝胶层，纤维层和水凝胶层在空间内交替排列。纤维层的纤维为有序排列或无序排列，水凝胶层含或不含细胞。所述设备包括扫描成像系统、快速成形系统、传送系统和控制系统。该韧性组织结构在力学上、形态上和生物学上能够模拟体内韧性组织的细胞、基质和纤维的组成状态，该韧性组织结构能用于跟腱、韧带、尿道、妇科盆底支撑系统等部位的韧性组织的直接修复和再生。本发明实现了纤维、细胞和水凝胶的体内外直接复合成形，能实现在临床手术中体内外直接打印、再生或替换病变的韧性组织。

Description

一种韧性组织结构及其3D打印成形设备和方法
技术领域
本发明属于组织工程、复合材料及医疗器械领域，涉及一种韧性组织结构及其3D打印成形设备和方法。
背景技术
目前，韧性组织（跟腱、筋膜、韧带、尿道和妇科盆底支撑系统等）的损伤治疗和修复主要依靠仿生材料替代、自体移植或异体移植，但这些方法采用的替代物的生物相容性不高，损伤恢复较慢，甚至面临免疫排斥和病毒传染问题，并且成年人的治疗和修复比幼年更加困难。再生医学和组织工程为人类结缔组织的修复和再造提供了可能，其中涉及到生物学、材料学、机械学等学科。
韧性组织，如结缔组织(connective tissue)，是人和高等动物的基本组织之一，起支持、连接、营养、保护等多种功能。结缔组织分为疏松结缔组织（如皮下组织）、致密结缔组织（如腱和韧带）、脂肪组织和网状组织。结缔组织由细胞、纤维和细胞外基质组成；细胞主要有巨噬细胞、成纤维细胞、浆细胞和肥大细胞；纤维包括胶原纤维、弹性纤维和网状纤维。
将3D打印技术与组织工程技术相结合，是目前解决复杂组织器官制造的有效途径。国外许多科研组在该领域有所探索和发展[Boland T,et al.Biotechnology journal,2006,1(9):910；Cooper G,et al.Tissue Engineering Part A,2010,16(5):1749；Fedorovich N,et al.TissueEngineering Part C,2011,18(1):33]。国内清华大学器官制造中心(Center of Organ Manufacturing)开发出系列3D成形设备，如熔融挤压设备、单（双）喷头（针头）针低温沉积成形设备，并成功制备出了简单的血管网、肝组织和骨修复材料等[Wang X,et al.Trends in Biotechnology,2007,25:505；Wang X,et al.Tissue Engineering Part B,2010,16:189;Wang X.Artificial organs,2012,36:591]。
干细胞能为组织再生提供再生微环境，目前已应用于骨、软骨、肌肉、骨髓基质、肌腱、脂肪和其他结缔组织的修复[Caplan A.Journal of cellular physiology,2007,213(2):341]。结缔组织的纤维可人工制备，如将蚕丝纤维纺织成网格，作为脂肪间充质干细胞的场所，用于妇科盆底支撑系统的结缔组织修复替代物[Li Q,et al.Cell and tissue research,2013,354(2):471]，该方法能观测到细胞与丝素纤维的交互作用，但蚕丝的生物相容性和生物毒性需要进一步验证，同时网格的宏观孔隙过大，纤维间微观孔隙过小，不适宜细胞生长；同时成品轮廓的可重复性低，生产效率有待提高，不适于批量生产。
目前世界上使用最广泛的手术机器人为达芬奇机器人[陈广飞等，机器人技术与应用，2011,4:11]，主要有医生控制台、成像系统和机械臂构成，主要用于实现外科手术的远程操作。但该系统只能实现传统的手术（如切除和缝合），并不能实现对病变部位的实时再生，并未应用增材制造(3D打印)技术；该系统的成像系统仅为普通视频图像信号，并非医学扫描图像信号(如CT和核磁共振成像)。故达芬奇系统在组织器官体内直接再生领域的局限性很大。
通过以上分析，将3D打印技术与组织器官相结合已成为医学和工程学的研究热点。现有的弹性组织的修复方法受到材料性能、生物相容性和修复再生速度的影响，并不能完全恢复损伤组织的功能。本发明3D打印技术应用于临床手术，并将细胞与高分子复合，能实现病变部位的术中实时再生。所成形的结构在形态结构上、免疫生理方面都有良好的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种韧性组织结构及其3D打印成形设备和方法。该发明可将材料学、工程学、医学成像学和干细胞等技术相结合，在临床手术中实现对病人病变组织的再生和直接替换，所得结构在宏观微观形貌上可模拟活体组织，同时在功能和生物相容性上效果突出，该韧性组织结构是修复韧带、跟腱等结缔组织的优良替代物，制备该结构的方法也能为复杂器官制造提供思路。
本发明的技术方案如下：
一种韧性组织结构，其特征在于：所述韧性组织结构为立体结构，包括纤维层和水凝胶层；所述纤维层和水凝胶层在空间内交替排列；所述纤维层为高分子纤维，该高分子纤维呈有序或无序排列状态；所述水凝胶层为高分子水凝胶，该高分子水凝胶含或不含细胞；所述高分子水凝胶的质量体积浓度为0.1～20%；所述纤维层的尺寸在长度、宽度和高度至少一个方向上大于其相邻水凝胶层的尺寸。
上述技术方案中，所述纤维层的厚度为10nm～10mm，所述水凝胶层的厚度为10μm～10mm。所述纤维层的有序排列状态为平行状、放射状、交叉状、网状、纺织状或环扣状。所述立体结构为立方体、圆柱体或模拟体内组织器官的具体形态。所述纤维层的纤维间的孔隙或间隙尺寸为5nm～2mm。
本发明所述水凝胶层所含细胞为成纤维细胞、巨噬细胞、浆细胞、肥大细胞、脂肪细胞、间充质细胞和白细胞中的至少一种；所述细胞密度为1×102～1×109个/mL。所述高分子纤维采用聚酯、聚氨酯、聚乙烯、聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、膨体聚四氟乙烯、聚乳酸、硅橡胶、羟甲基纤维素钠、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、糖类、丝素蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白中的至少一种；所述高分子水凝胶为明胶、海藻酸钠、纤维蛋白原、胶原、基质胶、卡拉胶、壳聚糖、琼脂、透明质酸、基质胶、弹性蛋白、层粘素、聚乙烯醇和聚乙二醇中的至少一种。
本发明提供的一种韧性组织结构的3D打印成形设备，其特征在于：所述设备包括多喷头快速成形系统、扫描成像系统、传送系统和控制系统；所述传送系统一端位于多喷头快速成形系统下方，另一端穿过扫描成像系统；所述多喷头快速成形系统包括X向运动机构、喷头固定装置和成形台；所述喷头固定装置设置在X向运动机构上，并沿X向运动；所述喷头固定装置包括成形打印组件，所述成形打印组件含有外科手术组件和喷头组件，并在XY平面和Z向移动；述所述多喷头快速成形系统、扫描成像系统和传送系统由数据线路分别与控制系统连接；所述扫描成像系统将扫描所得信号传送至控制系统，由控制系统处理后得到指令信号并将指令信号发送至快速成形系统和传送系统。
本发明所述的设备中，其特征在于：所述设备还包括至少一个工业机器人，该机器人安装在所述成形台的侧边，每个机器人包括成形打印组件，成形打印组件含有外科手术组件和喷头组件，并在空间内运动。
本发明所述的设备中，其特征在于：所述喷头固定装置采用方形结构，方形结构包括多条相互平行的Y向运动机构，在每条Y向运动机构上装有Z向运动机构，所述成形打印组件安装在Z向运动机构上；或所述喷头固定装置采用圆形结构，该圆形结构包括多条径向运动机构，在每条径向运动机构上装有Z向运动机构，所述成形打印组件安装在径向运动机构上。
本发明所述的设备中，所述喷头组件包括螺杆挤压喷头、电纺丝喷头和喷雾喷头至少一种，以及吸除组件和夹持组件；所述吸除组件含真空泵、吸除嘴、连接管和污物收集箱；所述真空泵一侧由连接管连在吸除嘴上，另一侧由连接管连在污物收集箱上。
本发明还提供了一种制备韧性组织结构的方法，其特征在于，该方法包括体内直接打印成形方法或体外打印成形方法，所述方法包括如下步骤：
1)体内直接打印成形：
a)由计算机设计所述韧性组织结构的三维模型，或者由扫描成像系统扫描病变部位得到韧性组织结构的三维模型，并由计算机分配打印成形路径；利用所述扫描成像系统将病变部位扫描所得信号传送至控制系统进行处理得到指令信号，并将指令信号发送至快速成形系统和传送系统；
b)将配制好的质量体积浓度为0.1～20%的高分子水凝胶和高分子纤维原材料分别装载到所述3D打印设备的不同喷头组件中，该水凝胶含或不含细胞；
c)依据步骤a)的指令信号，利用所述传送系统将病人转移至快速成形系统下方，利用外科手术组件进行病变部位微创切口，为打印成形预留空间；由所述喷头组件中的吸除组件吸除部分或全部病变组织；
d)制备水凝胶层：依据步骤a)的三维模型，利用所述3D打印成形设备的快速成形系统打印配制好的高分子水凝胶于病变部位，得到水凝胶层；
e)制备纤维层：依据步骤a)的三维模型，在步骤d)的已成形的水凝胶层上，利用所述3D打印成形设备打印得到纤维层，或将纤维层直接铺设在已打印的水凝胶层上；
f)利用所述传送系统将病人转移至扫描成像系统得到成形部位的反馈信号并由计算机处理，决定后续打印步骤；
g)重复步骤d)～f)，最终得到所述韧性组织结构；
h)利用所述传送系统将病人转移至快速成形系统下方，利用医用缝合胶进行创口缝合，手术结束；
2)体外打印成形：
a)由计算机设计所述韧性组织结构的立体模型，或者由医学成像技术扫描病变部位得到所述韧性组织结构的三维模型，并由计算机分配打印成形路径；
b)将配制好的质量体积浓度为0.1～20%的高分子水凝胶和高分子纤维原材料分别装载到所述3D打印设备的不同喷头中，该水凝胶含或不含细胞；
c)制备水凝胶层：依据步骤a)的三维模型，利用所述3D打印成形设备的快速成形系统打印配制好的高分子水凝胶，在成形台上得到水凝胶层；
d)制备纤维层：依据步骤a)的三维模型，在步骤c)的已成形的水凝胶层上，利用所述3D打印成形设备的快速成形系统打印得到纤维层，或将纤维层直接铺设在已打印水凝胶层上；
e)重复步骤c)～d)，最终得到所述韧性组织结构；
f)韧性组织结构植入：利用传送系统将病人转移至快速成形系统下方，利用所述3D打印设备的外科手术组件进行病变部位微创切口，由吸除组件吸除部分或全部病变组织；利用所述夹持组件将步骤e)所得韧性组织结构移入病变部位；进行创口缝合，手术结束。
本发明与现有技术相比，有以下优点及突出性的技术效果：
①本发明的纤维层和水凝胶层交替排列，水凝胶层可含或不含细胞的水凝胶支架，极大模拟了体内韧性组织细胞、基质和纤维的交互作用，有助于韧性组织结构的再生和临床应用。
②本发明的纤维层有序或无序排列，可实现纤维的多种状态的排列，成形的纤维层在形态、力学和生物学上模拟了体内韧性组织的纤维状态，为水凝胶层和细胞贴附提供了物理支撑。
③本发明实现在手术中对病人病变部位的切除、再生或修饰，所得结构在形态可极大逼近原始组织，生理上实现相应功能，且免疫排斥较低，为韧性组织器官修复和再生的良好选择。
④本发明的3D打印成形装置，可实现在动物体内外的3D打印，为实时成形复杂组织或器官提供了思路。
附图说明
图1为立方体韧性组织结构示意图。
图2为圆柱体韧性组织结构示意图。
图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、图3f和图3g分别为平行排列、放射排列、交叉排列、网状排列、纺织物状排列、环扣状排列和纤维随机排列的纤维示意图。
图4为3D打印成形设备示意图。
图5a、5b、5c和5d分别为方形的喷头固定装置、圆形的喷头固定装置、单个喷头组件和工业机器人的示意图。
图6a、图6b、图6c、图6d、图6e和图6f分别为螺杆挤压喷头、电纺丝喷头、喷雾喷头、吸除组件、夹持组件和外科手术组件的示意图。
图6g和6h分别为电纺丝喷头和喷雾喷头工作示意图。
图7为3D打印成形设备控制路线图。
图中：101-纤维层；102-水凝胶层；401-扫描成像系统；402-多喷头快速成形系统；403-传送系统；404-控制系统；405-成形台；406-喷头固定装置；407-工业机器人；408-喷头组件；409-导轨支架；410-手术台；411-手术台运动导轨；502-X向运动导轨；503-X向电机；504-方形支撑架；505-Y向运动导轨；506-Y向电机；507-Z向运动导轨；508-Z向电机；509-喷头放置板；510-圆形支撑架；511-径向运动导轨；512-径向电机；601-螺杆；602-电机；603-固定夹；604-注射器；605-喷嘴；606-带电喷嘴；607-凸轮；608-凸轮传动轴；609-喷壶固定夹；610-喷壶；611-喷壶喷嘴；612-真空泵；613-连接管；614-污物收集箱；615-吸除嘴；616-夹子；617-手术刀；618-医用缝合胶；619-旋转柄。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明提供的一种韧性组织结构为立体结构，包括纤维层101和水凝胶层102；所述立体结构为立方体（图1）、圆柱体（图2）或模拟体内组织器官的具体形态。所述纤维层101和水凝胶层102在空间内交替排列；所述纤维层101为高分子纤维，该高分子纤维呈有序或无序排列状态；高分子纤维采用聚酯、聚氨酯、聚乙烯、聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、膨体聚四氟乙烯、聚乳酸、硅橡胶、羟甲基纤维素钠、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、糖类、丝素蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白中的至少一种。所述水凝胶层102为高分子水凝胶，该高分子水凝胶含或不含细胞；所述细胞为成纤维细胞、巨噬细胞、浆细胞、肥大细胞、脂肪细胞、间充质细胞和白细胞中的至少一种；细胞密度为1×102～1×109个/mL。所述高分子水凝胶为明胶、海藻酸钠、纤维蛋白原、胶原、基质胶、卡拉胶、壳聚糖、琼脂、透明质酸、基质胶、弹性蛋白、层粘素、聚乙烯醇和聚乙二醇中的至少一种；所述高分子水凝胶的质量体积浓度为0.1～20%；所述纤维层101的尺寸在长度、宽度和高度至少一个方向上大于其相邻水凝胶层102的尺寸。所述纤维层的厚度为10nm～10mm，所述水凝胶层的厚度为10μm～10mm。所述纤维层的有序排列状态为平行状、放射状、交叉状、网状、纺织状或环扣状。所述纤维层的纤维间的孔隙或间隙尺寸为5nm～2mm。
如图4所示，本发明提供的一种制备韧性组织结构的3D打印成形设备，包括多喷头快速成形系统402、扫描成像系统401、传送系统403和控制系统404。所述传送系统403一端位于多喷头快速成形系统402下方，另一端穿过扫描成像系统401；所述多喷头快速成形系统402包括X向运动机构、喷头固定装置406和成形台405。所述喷头固定装置设置在X向运动机构上，并沿X向运动，所述X向运动机构包括X向运动导轨502和X向电机503(见图5)；所述喷头固定装置406包括成形打印组件408，所述成形打印组件408含有外科手术组件和喷头组件，并在XY平面和Z向移动；所述喷头组件包括螺杆挤压喷头、电纺丝喷头和喷雾喷头至少一种，以及吸除组件和夹持组件。述所述多喷头快速成形系统402、扫描成像系统401和传送系统403由数据线路分别与控制系统404连接；所述扫描成像系统401将扫描所得信号传送至控制系统404，由控制系统404处理后得到指令信号并将指令信号发送至快速成形系统402和传送系统403。
如图4和图5d所示，本发明的设备还包括至少一个工业机器人407，该机器人安装在所述成形台405的侧边，每个机器人包括成形打印组件408，成形打印组件408含有外科手术组件和喷头组件，并在空间内运动。
如图5a所示，喷头固定装置406采用方形结构，方形结构包括多条相互平行的Y向运动机构，在每条Y向运动机构上装有Z向运动机构，所述成形打印组件408安装在Z向运动机构上，其中Y向运动机构包括Y向运动导轨505和Y向电机506，Z向运动机构包括Z向运动导轨507和Z向电机508。如图5b所示，喷头固定装置406采用圆形结构，该圆形结构包括多条径向运动机构，在每条径向运动机构上装有Z向运动机构，所述成形打印组件408安装在径向运动机构上，其中径向运动机构包括径向运动导轨511和径向电机512，Z向运动机构包括Z向运动导轨507和Z向运动电机508。
如图6f所示，外科手术组件包括手术刀617、医用缝合胶618、电机602和旋转臂619；手术刀617和医用缝合胶618分别安装在旋转臂619上，该旋转臂由电机602驱动。如图6c和6h所示，喷雾喷头组件包括电机602、凸轮607、凸轮带动轴608、喷壶610、喷壶固定夹609和喷壶喷嘴611；所述电机602依靠凸轮传动轴608带动凸轮607旋转，所述凸轮607与喷壶610顶部接触。如图6d所示，吸除组件含真空泵612、吸除嘴615、连接管613和污物收集箱614；所述真空泵612一侧由连接管613连在吸除嘴上615，另一侧由连接管613连在污物收集箱614上。如图6a所示，螺杆挤压喷头包括螺杆601、电机602、固定夹603、注射器604和喷嘴605，电机通过螺杆旋转挤压注射器，使得材料挤出。如图3b和3g所示，电纺丝喷头包括螺杆601、电机602、固定夹603、注射器604和带电喷嘴606，电机通过螺杆旋转挤压注射器，使得材料挤出，材料在电场作用下在成形台上成形。如图6e所示，夹持组件包括夹子616和电机602，夹子可对成形结构体进行转移。
本发明利用上述3D打印成形设备制备韧性组织结构，该制备方法包括体内直接打印成形方法或体外打印成形方法，所述方法包括如下步骤：
1)体内直接打印成形：
a)由计算机设计所述韧性组织结构的三维模型，或者由扫描成像系统扫描病变部位得到韧性组织结构的三维模型，并由计算机分配打印成形路径；利用所述扫描成像系统将病变部位扫描所得信号传送至控制系统404进行处理得到指令信号，并将指令信号发送至快速成形系统402和传送系统403；b)将配制好的质量体积浓度为0.1～20%的高分子水凝胶和高分子纤维原材料分别装载到所述3D打印设备的不同喷头组件中，该水凝胶含或不含细胞；c)依据步骤a)的指令信号，利用所述传送系统403将病人转移至快速成形系统402下方，利用外科手术组件进行病变部位微创切口，为打印成形预留空间；由所述喷头组件中的吸除组件吸除部分或全部病变组织；d)制备水凝胶层：依据步骤a)的三维模型，利用所述3D打印成形设备的快速成形系统打印配制好的高分子水凝胶于病变部位，得到水凝胶层；e)制备纤维层：依据步骤a)的三维模型，在步骤d)的已成形的水凝胶层上，利用所述3D打印成形设备打印得到纤维层，或将纤维层直接铺设在已打印的水凝胶层上；f)利用所述传送系统403将病人转移至扫描成像系统401得到成形部位的反馈信号并由计算机处理，决定后续打印步骤；g)重复步骤d)～f)，最终得到所述韧性组织结构；h)利用所述传送系统403病人转移至快速成形系统402下方，利用医用缝合胶进行创口缝合，手术结束；
2)体外打印成形：
a)由计算机设计所述韧性组织结构的立体模型，或者由医学成像技术扫描病变部位得到所述韧性组织结构的三维模型，并由计算机分配打印成形路径；b)将配制好的质量体积浓度为0.1～20%的高分子水凝胶和高分子纤维原材料分别装载到所述3D打印设备的不同喷头中，该水凝胶含或不含细胞；c)制备水凝胶层：依据步骤a)的三维模型，利用所述3D打印成形设备的快速成形系统打印配制好的高分子水凝胶，在成形台上得到水凝胶层；d)制备纤维层：依据步骤a)的三维模型，在步骤c)的已成形的水凝胶层上，利用所述3D打印成形设备的快速成形系统打印得到纤维层，或将纤维层直接铺设在已打印水凝胶层上；e)重复步骤c)～d)，最终得到所述韧性组织结构；f)韧性组织结构植入：利用传送系统403将病人转移至快速成形系统402下方，利用所述3D打印设备的外科手术组件进行病变部位微创切口，由吸除组件吸除部分或全部病变组织；利用所述夹持组件将步骤e)所得韧性组织结构移入病变部位；进行创口缝合，手术结束。
下面举出几个具体的实施例，以进一步理解本发明。
实施例1：利用3D打印技术在体外制备一种韧带组织结构，并植入体内。
1)细胞和水凝胶的准备：提取人成纤维细胞，将成纤维细胞传代培养备用；将明胶粉末溶于磷酸盐缓冲液中制备质量体积分数为15%的水凝胶；将成纤维细胞混入上述水凝胶，得到细胞浓度为1×106个/mL的细胞-水凝胶材料体系；将该细胞-水凝胶材料装入3D打印的螺杆挤压喷头中；
2)纤维材料的制备：加热聚己内酯使之融化，将融化的聚己内酯装入3D打印的电纺丝喷头备用；
3)模型设计：设计韧带组织结构的三维模型，由计算机分配纤维层和水凝胶层的打印路径；
4)成形过程：由计算机控制3D打印设备，首先由螺杆挤压喷头挤出细胞-水凝胶材料于成形台上，按照预定路径，得到2mm厚的水凝胶层；其次由电纺丝喷头成形熔融的聚己内酯纤维，纤维为平行排列和随机排列两种状态，得到200μm厚的纤维层；重复上述操作，在成形台上得到水凝胶层和纤维层交替排列的韧带组织结构；
5）植入过程：经扫描成像系统将病变部位信号传输至控制系统进行处理得到指令信号；在控制信号的指挥下，由3D打印设备的外科手术组件对病变部位进行切口，并由3D打印设备的吸除组件将病变部位的韧带进行部分吸除，之后由3D打印设备的夹持组件将步骤4)中得到的韧带组织结构转移至病变部位，最后用3D打印设备的医用缝合胶进行创口缝合，手术结束。
实施例2：利用3D打印技术在体外制备一种韧带组织结构，并植入体内。
1)细胞悬浮液的准备：提取人成纤维细胞，将成纤维细胞传代培养备用，制备该细胞的细胞悬浮液，细胞浓度为1×106个/mL，将该细胞悬浮液装入3D打印设备的喷雾式喷头；
2)水凝胶的准备：将明胶粉末溶于磷酸盐缓冲液中制备质量体积分数为15%的水凝胶，将水凝胶装入3D打印设备的螺杆挤压喷头中；
3)纤维材料的制备：将聚氨酯材料溶于四乙二醇溶液中，得到质量体积分数为10%的溶液，将该溶液装入3D打印设备的螺杆挤压喷头中；
4)模型设计：由扫描成像系统扫描病人韧带损伤部位，得到韧带组织结构的三维模型，由计算机分配纤维层和水凝胶层的打印路径；
5)成形过程：由螺杆挤压喷头挤出水凝胶材料，按照预定路径，得到2mm厚的水凝胶层；其次由喷洒式喷头在已成形的水凝胶层喷洒细胞悬浮液；之后利用螺杆挤压喷头挤压聚氨酯溶液，得到网状排列的纤维，并立即用磷酸盐溶液萃取移除四乙二醇溶液，由吸除组件吸除多余溶液，得到200μm厚的纤维层；重复上述操作，得到水凝胶层、细胞和纤维层交替排列的韧带组织结构；
6)植入过程：经扫描成像系统将病变部位信号传输至控制系统进行处理得到指令信号；在控制信号的指挥下，由3D打印设备的外科手术组件对病变部位进行切口，并由3D打印设备的吸除组件将病变部位的韧带进行部分吸除，之后由3D打印设备的夹持组件将步骤5)中得到的韧带组织结构转移至病变部位，最后用3D打印设备的医用缝合胶进行创口缝合，手术结束。
实施例3：利用3D打印技术直接在体内成形一种跟腱。
1)细胞悬浮液的准备：提取人成纤维细胞和脂肪干细胞，将这两种细胞传代培养备用，制备这两种细胞的细胞悬浮液，细胞浓度为1×106个/mL，将该细胞悬浮液装入3D打印设备的喷雾式式喷头；
2)水凝胶的准备：将海藻酸钠和明胶粉末分别溶于磷酸盐缓冲液中制备质量体积分数为5%的水凝胶，该水凝胶装入3D打印设备的螺杆挤压喷头中；
3)纤维材料的制备：将聚乳酸聚乙醇酸共聚物材料溶于1,4-二氧六环溶液中，得到质量体积分数为5%的溶液，将该溶液装入3D打印设备的螺杆挤压喷头中；
4)模型设计：由扫描成像系统扫描病人韧带损伤部位，由计算机分配纤维层和水凝胶层的打印路径；
5)成形过程：依据扫描成像系统得到的病变部位信号，由计算机控制3D打印设备，首先由外科手术组件对病变部位进行微创切口；再由吸除组件吸除部分病变部位韧带组织；在病变切口部位，由3D打印设备的螺杆挤压喷头挤出水凝胶材料，按照预定路径，得到2mm厚的水凝胶层；其次由喷雾式喷头组件在已成形的水凝胶层喷涂细胞悬浮液；之后利用螺杆挤压喷头挤压聚乳酸聚乙醇酸共聚物溶液，得到放射状排列的纤维，立即用磷酸盐溶液萃取移除四乙二醇溶液，并利吸除组件吸除多余液体，得到200μm厚的纤维层；重复上述操作，得到水凝胶层、细胞和纤维层交替排列结构；成形结束后，利用医用缝合胶缝合伤口，手术结束。
实施例4：利用3D打印技术在体外制备一种跟腱组织结构。
1)细胞和水凝胶的准备：提取人成纤维细胞和肌腱细胞，将这两种细胞传代培养备用；将明胶粉末溶于磷酸盐缓冲液中，得到质量体积分数为10%的水凝胶；将上述两种细胞混入上述水凝胶，得到细胞浓度为1×107个/mL的细胞-水凝胶材料体系；将该细胞-水凝胶材料装入3D打印的螺杆挤压喷头中；
2)纤维材料的制备：将胶原粉末溶解于醋酸，得到质量体积分数为0.5%的溶液，将该溶液装入3D打印电纺丝喷头备用；
3)模型设计：设计跟腱组织结构的三维模型，由计算机分配纤维层和水凝胶层的打印路径；
4)成形过程：由计算机控制3D打印设备，首先由螺杆挤压喷头挤出细胞-水凝胶材料，按照预定路径，得到5mm厚的水凝胶层；其次由电纺丝喷头喷涂上述胶原的醋酸溶液，在上述水凝胶层上得到纤维层，纤维形态部分交叉排列，部分平行排列，得到2mm厚的纤维层；重复上述操作，得到水凝胶层和纤维层交替排列的跟腱组织结构。
实施例5：利用3D打印技术在体外制备一种跟腱组织结构。
1)细胞和水凝胶的准备：提取人成纤维细胞、肌腱细胞和脂肪间充质干细胞，将这三种细胞传代培养备用；将明胶粉末溶于磷酸盐缓冲液中，得到质量体积分数为10%的水凝胶；将上述两种细胞混入上述水凝胶，得到细胞浓度为1×107个/mL的细胞-水凝胶材料体系；将该细胞-水凝胶材料装入3D打印的螺杆挤压喷头中；
2)纤维材料的制备：采购蚕丝纺织物，并按需裁剪；
3)模型设计：设计跟腱组织结构的三维模型，由计算机分配水凝胶层的打印路径；
4)成形过程：由计算机控制所述3D打印设备的快速成形系统，首先由螺杆挤压喷头挤出细胞-水凝胶材料，按照预定路径，得到5mm厚的水凝胶层；其次将若干层将蚕丝纺织物置于水凝胶层上方，作为纤维层；重复上述操作，得到水凝胶层和纤维层交替排列的跟腱组织结构。
实施例6：利用3D打印技术直接在体内成形一种腱膜组织结构。
1)细胞和水凝胶的准备：提取人成纤维细胞和肌腱细胞，将这两种细胞传代培养备用；将明胶粉末溶于磷酸盐缓冲液中，得到质量体积分数为10%的水凝胶；将上述两种细胞混入上述水凝胶，得到细胞浓度为1×107个/mL的细胞-水凝胶材料体系；将该细胞-水凝胶材料装入3D打印的螺杆挤压喷头中；
2)纤维材料的制备：将融化的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)置于3D打印的螺杆挤压喷头中，待用；
3)模型设计：设计跟腱组织结构的三维模型，由计算机分配纤维层和水凝胶层的打印路径；
4)成形过程：依据扫描成像系统得到的病变部位信号，由计算机控制3D打印设备，由外科手术组件对病变部位进行微创切口，再由吸除组件吸除部分病变部位腱膜组织；由3D打印设备的螺杆挤压喷头在病变部位挤出水凝胶-细胞材料，按照预定路径，得到0.5mm厚的水凝胶层；其次由螺杆挤压喷头打印成形熔融态的ABS，得到环扣状的纤维层，层厚0.5mm；重复上述操作，得到水凝胶层、细胞和纤维层交替排列结构腱膜组织结构；成形结束后，利用医用缝合胶缝合伤口，手术结束。

Claims (14)

1.一种韧性组织结构，其特征在于：所述韧性组织结构为立体结构，包括纤维层(101)和水凝胶层(102)；所述纤维层(101)和水凝胶层(102)在空间内交替排列；所述纤维层(101)为高分子纤维，该高分子纤维呈有序或无序排列状态；所述水凝胶层(102)为高分子水凝胶，该高分子水凝胶含或不含细胞；所述高分子水凝胶的质量体积浓度为0.1～20%；所述纤维层(101)的尺寸在长度、宽度和高度至少一个方向上大于其相邻水凝胶层(102)的尺寸。
2.如权利要求1所述的一种韧性组织结构，其特征在于：所述纤维层的厚度为10nm～10mm，所述水凝胶层的厚度为10μm～10mm。
3.如权利要求1或2所述的一种韧性组织结构，其特征在于：所述纤维层的有序排列状态为平行状、放射状、交叉状、网状、纺织状或环扣状。
4.如权利要求1所述的一种韧性组织结构，其特征在于：所述立体结构为立方体、圆柱体或模拟体内组织器官的具体形态。
5.如权利要求1所述的一种韧性组织结构，其特征在于：所述纤维层的纤维间的孔隙或间隙尺寸为5nm～2mm。
6.如权利要求1所述的一种韧性组织结构，其特征在于：所述水凝胶层所含细胞为成纤维细胞、巨噬细胞、浆细胞、肥大细胞、脂肪细胞、间充质细胞和白细胞中的至少一种；所述细胞密度为1×102～1×109个/mL。
7.如权利要求1所述的一种韧性组织结构，其特征在于：所述高分子纤维采用聚酯、聚氨酯、聚乙烯、聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、膨体聚四氟乙烯、聚乳酸、硅橡胶、羟甲基纤维素钠、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、糖类、丝素蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白中的至少一种；所述高分子水凝胶为明胶、海藻酸钠、纤维蛋白原、胶原、基质胶、卡拉胶、壳聚糖、琼脂、透明质酸、基质胶、弹性蛋白、层粘素、聚乙烯醇和聚乙二醇中的至少一种。
8.如权利要求1所述的一种韧性组织结构的3D打印成形设备，其特征在于：所述设备包括多喷头快速成形系统(402)、扫描成像系统(401)、传送系统(403)和控制系统(404)；所述传送系统(403)一端位于多喷头快速成形系统(402)下方，另一端穿过扫描成像系统(401)；所述多喷头快速成形系统(402)包括X向运动机构、喷头固定装置(406)和成形台(405)；所述喷头固定装置设置在X向运动机构上，并沿X向运动；所述喷头固定装置(406)包括成形打印组件(408)，所述成形打印组件(408)含有外科手术组件和喷头组件，并在XY平面和Z向移动；述所述多喷头快速成形系统(402)、扫描成像系统(401)和传送系统(403)由数据线路分别与控制系统(404)连接；所述扫描成像系统(401)将扫描所得信号传送至控制系统(404)，由控制系统(404)处理后得到指令信号并将指令信号发送至快速成形系统(402)和传送系统(403)。
9.如权利要求8所述的一种韧性组织结构的3D打印成形设备，其特征在于：所述设备还包括至少一个工业机器人(407)，该机器人安装在所述成形台(405)的侧边，每个机器人包括成形打印组件(408)，成形打印组件(408)含有外科手术组件和喷头组件，并在空间内运动。
10.如权利要求8所述的一种韧性组织结构的3D打印成形设备，其特征在于：所述喷头固定装置(406)采用方形结构，方形结构包括多条相互平行的Y向运动机构，在每条Y向运动机构上装有Z向运动机构，所述成形打印组件(408)安装在Z向运动机构上。
11.如权利要求8所述的一种韧性组织结构的3D打印成形设备，其特征在于：所述喷头固定装置(406)采用圆形结构，该圆形结构包括多条径向运动机构，在每条径向运动机构上装有Z向运动机构，所述成形打印组件(408)安装在径向运动机构上。
12.如权利要求8～11任一权利要求所述的一种韧性组织结构的3D打印成形设备，其特征在于：所述喷头组件包括螺杆挤压喷头、电纺丝喷头和喷雾喷头至少一种，以及吸除组件和夹持组件。
13.如权利要求12所述的一种韧性组织结构的3D打印成形设备，其特征在于：所述吸除组件含真空泵(612)、吸除嘴(615)、连接管(613)和污物收集箱(614)；所述真空泵(612)一侧由连接管(613)连在吸除嘴上(615)，另一侧由连接管(613)连在污物收集箱(614)上。
14.一种采用如权利要求8或9所述3D打印成形设备制备韧性组织结构的方法，其特征在于，该方法包括体内直接打印成形方法或体外打印成形方法，所述方法包括如下步骤：
1)体内直接打印成形：
a)由计算机设计所述韧性组织结构的三维模型，或者由扫描成像系统扫描病变部位得到韧性组织结构的三维模型，并由计算机分配打印成形路径；利用所述扫描成像系统将病变部位扫描所得信号传送至控制系统(404)进行处理得到指令信号，并将指令信号发送至快速成形系统(402)和传送系统(403)；
b)将配制好的质量体积浓度为0.1～20%的高分子水凝胶和高分子纤维原材料分别装载到所述3D打印设备的不同喷头组件中，该水凝胶含或不含细胞；
c)依据步骤a)的指令信号，利用所述传送系统(403)将病人转移至快速成形系统(402)下方，利用外科手术组件进行病变部位微创切口，为打印成形预留空间；由所述喷头组件中的吸除组件吸除部分或全部病变组织；
d)制备水凝胶层：依据步骤a)的三维模型，利用所述3D打印成形设备的快速成形系统打印配制好的高分子水凝胶于病变部位，得到水凝胶层；
e)制备纤维层：依据步骤a)的三维模型，在步骤d)的已成形的水凝胶层上，利用所述3D打印成形设备打印得到纤维层，或将纤维层直接铺设在已打印的水凝胶层上；
f)利用所述传送系统(403)将病人转移至扫描成像系统(401)得到成形部位的反馈信号并由计算机处理，决定后续打印步骤；
g)重复步骤d)～f)，最终得到所述韧性组织结构；
h)利用所述传送系统(403)将病人转移至快速成形系统(402)下方，利用医用缝合胶进行创口缝合，手术结束；
2)体外打印成形：
a)由计算机设计所述韧性组织结构的立体模型，或者由医学成像技术扫描病变部位得到所述韧性组织结构的三维模型，并由计算机分配打印成形路径；
b)将配制好的质量体积浓度为0.1～20%的高分子水凝胶和高分子纤维原材料分别装载到所述3D打印设备的不同喷头中，该水凝胶含或不含细胞；
c)制备水凝胶层：依据步骤a)的三维模型，利用所述3D打印成形设备的快速成形系统打印配制好的高分子水凝胶，在成形台上得到水凝胶层；
d)制备纤维层：依据步骤a)的三维模型，在步骤c)的已成形的水凝胶层上，利用所述3D打印成形设备的快速成形系统打印得到纤维层，或将纤维层直接铺设在已打印水凝胶层上；
e)重复步骤c)～d)，最终得到所述韧性组织结构；
f)韧性组织结构植入：利用传送系统(403)将病人转移至快速成形系统(402)下方，利用所述3D打印设备的外科手术组件进行病变部位微创切口，由吸除组件吸除部分或全部病变组织；利用所述夹持组件将步骤e)所得韧性组织结构移入病变部位；进行创口缝合，手术结束。
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