CN104146794A - 一种用于3d生物打印的血管成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种用于3D生物打印的血管成型装置及方法，用于生物工程技术，旨在解决目前通过3D生物打印技术打印血管时存在的血管成型质量差、成型长度短等问题。该方法通过3D生物打印技术，将生物墨汁打印到表层覆有温敏性水凝胶的旋转杆上，并通过进一步生物培养即可形成所需要的生物血管。该方法可通过制备出不同直径和长度的旋转杆来打印不同尺寸的生物血管，可快速打印出厚度均匀、具有精确打印尺寸的血管组织，且可采用的3D打印技术多样，实用性广泛。我们把该方法命名为：3D旋转成型打印方法（3D Envelop Bioprinting Method）。

Description

一种用于3D生物打印的血管成型装置及方法

技术领域

    本发明涉及组织工程领域中的生物工程制造技术，具体涉及一种用于3D生物打印的血管成型方法。

背景技术

    随着人口老龄化和人民生活水平的提高，我国因血管病变引起的心脑血管疾病发生率逐年升高。报告显示2012年我国心血管病现患人数已达2.9亿，每年约有350万人死于心血管疾病，占总死亡原因的41%，居各种疾病之首。因此积极开展血管类疾病的治疗研究，提高全民健康水平已迫在眉睫。目前常用解决血管类疾病的方法是进行血管的置换和移植，血管置换是治疗动脉瘤、动脉血栓、心脏动脉搭桥、创伤类血管损伤等重大血管疾病的有效方法，该方法一般采用人工血管，因此，人工血管的成功制备是血管类疾病治疗的关键所在。

    临床医学上常使用的人工血管有涤纶人造血管，聚氨酯材料人造血管、真丝人造血管等高分子材料人工血管。由于这一系列高分子材料人造血管都存在着生物兼容性差、使用年限短、远期通畅率差，容易造成疾病复发等问题。近年来，随着组织工程的发展，人们开始通过3D生物打印技术探索制造新型人工血管，3D生物打印技术是以高分子生物材料、细胞、细胞外基质等成分作为打印墨汁而进行活体打印的新技术。其优势就在于精确可控的三维打印细胞及生物材料的使用，并且可根据病人病变血管的形状及大小个性化的定制打印人工血管。

    目前3D生物打印技术在打印血管时所采用的方式是在培养器皿中层层堆积生物墨汁细胞，然后通过后续的生物培养得到所需要的人工血管。其血管成型的具体方法有两种：第一种是垂直堆积，如图1所示，这种方法打印出的血管由于受到自身重力和机械性能的影响，所打印得到的血管短，成型质量差；第二种是平行堆积成型，如图2所示，这种方法同样受到血管杆的机械性能影响，获得的人工血管细胞分布杂乱，不容易精确控制。同时，这两种血管打印成型方法都存在成型速度慢、效率低，打印出的成品结构不理想，无法形成完整的生物血管等问题。

发明内容

    为了克服目前3D生物打印技术在打印血管时所存在的缺陷，本发明提供了一种采用3D生物打印技术打印血管的成型方法，包括该方法所采用的血管成型装置，该发明创造性的引入了旋转杆作为血管打印的支撑架，以旋转杆表面作为血管打印的平台，解决了目前3D生物打印技术在打印血管时的成型不理想问题，能够轻松构建出血管组织。

    本发明中设计的血管成型装置，主要包括一端由电机带动转动的旋转杆和生物打印喷头，该旋转杆的一端装卡在轴承里并由电机带动转动，旋转杆的另一端悬空，电机安装在一个支撑架上，支撑架通过螺钉安装在一块底座上，生物打印喷头在旋转杆表面上移动。

    本发明中的旋转杆材料选择为生物相容性材料，其长度和大小主要根据所需要打印的血管形状和大小进行设计。此外电机为可精确调控速度的伺服电机或步进电机，电机与旋转杆的连接方式为通过一个轴套的直接连接、通过轴与传动机构进行的间接连接或通过磁性驱动连接。

    本发明使用上面所述的血管成型装置，设计出一种人工血管成型方法，该方法通过3D生物打印技术将生物墨汁打印到旋转杆上，然后通过后续生物培养得到需要的生物血管，主要包括以下步骤：

1） 通过计算机辅助设计出旋转杆模型；

2） 制备出步骤1）中所设计的旋转杆；

3） 给步骤2)中设计的旋转杆上涂抹一层温敏性水凝胶材料；

4） 将步骤3）中的旋转杆安装在血管成型装置上；

5） 旋转电机带动旋转杆转动，利用3D生物打印技术并通过生物打印喷头将生物墨汁喷射到旋转杆表面上，在旋转杆上形成一层具有一定厚度的生物血管组织；

6） 打印完毕后，通过生物培养形成生物血管。

    根据步骤5）所述，其中所述的3D生物打印技术可以为基于喷墨的生物打印技术、基于喷头挤压的生物打印技术、基于激光的生物打印技术。

    根据步骤5）所述，其中所述的生物墨汁为用于生物打印技术的墨汁，主要包括细胞打印墨汁和生物材料墨汁，其中细胞打印墨汁分两种，一种是内皮细胞打印墨汁，另一种为平滑肌细胞打印墨汁；生物材料墨汁为聚氨酯材料墨汁。

    根据步骤5）所述，其中所述的将生物墨汁打印到旋转杆上的具体方式是首先在温敏性水凝胶材料涂层表面上打印一层内皮细胞生物墨汁，然后在内皮细胞生物墨汁表面上打印平滑肌细胞生物墨汁。

    根据步骤5）所述，其中所述的生物打印喷头打印生物墨汁时其相对旋转杆的运动的轨迹可以是纵横编织结构或具有任意交叉角度的编织结构，喷头的运动和旋转杆的运动由计算机控制。

    根据步骤5）所述，其中所述的生物培养处理为将打印好的血管组织和旋转杆一起取下放入生物培养箱内，加入各种细胞生长因子和促分化因子，加速血管组织结构和各种生理功能发育成熟，得到所需要的血管。

    本发明的另一个目的是总结血管等管状组织成型的新机理和新方法，并研究成型过程表面的形状，成型孔径大小及孔隙率，应力均匀的交替状纺织结构的圆周分布和轴向分布，组织成型强度等对细胞成活率的影响；研究成型过程的最佳速度、成型时间、杆形状和材料及最佳网状结构。

    与目前的血管制造成型技术相比，本发明具有以下优点：

1、 能够打印出较长的血管组织，打印的血管组织不受重力影响或影响较小，且打印出的血管组织不易变形；

2、 采用旋转杆的辅助打印，可加快打印速度，满足生物血管组织打印的特殊需求；

3、 通过设计不同形状的杆，可以打印出较为复杂的生物血管。

附图说明

    图1是垂直堆积血管打印方法，其中附图1a、附图1b至附图1e分别代表细胞墨汁（中间有圆圈的圆柱）和支撑墨汁在打印过程中的排布。

    图2是平行堆积血管打印方法，其中打印流程为2a→2b→2c→2d，代表细胞墨汁（图中圆圈）在打印过程中的排布情况。

    图3是3D旋转成型打印装置立体结构示意图。

    图4是图3中局部打印生物喷头相对旋转杆走位轨迹结构放大图。

    图5是图3中另外一种局部打印生物喷头相对旋转杆走位轨迹结构放大图。

    其中1是螺钉，2是电机，3是旋转杆，4是打印到旋转杆表面上的生物墨汁，5是生物打印喷头，6是底座，7是支撑架。

具体实施方式

    为了进一步阐述本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅仅用以解释本发明，并不限于本发明。

    该3D旋转成型打印方法采用的打印成型装置结构如附图3所示，其中旋转杆3的一端装卡在轴承里并由电机2带动转动，旋转杆的另一端悬空，电机通过螺栓安装在支撑架7上，支撑架通过螺钉安装在一块底座上，生物打印喷头主要在旋转杆上并沿着旋转杆轴方向移动将生物墨汁喷射到旋转杆表面。

    此外附图3中的旋转杆材料选择为生物相容性材料，其长度和大小主要根据所需要打印的血管形状和大小进行设计。电机为可精确调控速度的伺服电机或步进电机，电机与旋转杆的连接方式为通过一个轴套的直接连接、通过轴与传动机构进行的间接连接或通过磁性驱动连接。

    本发明中的血管制备成型装置用于血管成型的具体步骤为：

1、 通过计算机辅助设计软件设计旋转杆模型，其旋转杆模型参数来自于实际血管参数，也可以根据实际需求进行血管参数的建模；

2、 利用快速成型、切削加工、电加工或激光加工技术制备出步骤1中所设计的旋转杆，旋转杆的材料选择生物相容性材料，同时在该旋转杆表面涂抹一层一定厚度的温敏性水凝胶材料，以保证旋转杆材料与生物细胞的兼容性；

3、 将步骤2中的旋转杆通过传动轴、减速器等中间传动机构与旋转电机进行间接连接或直接连接到电机上；

4、 控制电机带动旋转杆进行转动，同时通过低温沉淀打印技术（LDM）将生物细胞墨汁打印到旋转杆表面上，其具体方法为旋转杆转动，同时打印喷头沿着旋转杆轴向移动，并将生物墨汁喷射到旋转杆表面上，首先在旋转杆表面打印一层一定厚度的内皮细胞生物墨汁，打印完毕后在内皮细胞表面上继续打印一层一定厚度的平滑肌细胞生物墨汁，如图4和图5所示，分别表示生物墨汁在旋转杆表面的纵横交叉状结构和生物墨汁在旋转杆表面形成任意角度的编制状结构；

5、 打印完毕后，将打印好的血管组织和旋转杆取下放入生物培养箱内，加入各种细胞生长因子和促分化因子，加速血管组织结构和各种生理功能发育成熟，最终得到所需要的生物血管。

    本发明并不局限于上诉实施方式，如果对本发明的各种改动和变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。 

Claims (10)

1.一种用于3D生物打印的血管成型装置，包括一端由电机带动转动的旋转杆和生物打印喷头，其特征在于，电机安装在一个支撑架上，支撑架通过螺钉安装在一块底座上，旋转杆的一端装卡在轴承里并由电机带动转动，旋转杆的另一端悬空，生物打印喷头可以在旋转杆表面上移动。

2.根据权利要求1所述的血管成型装置，其特征在于，旋转杆材料为生物相容性材料，其长度和大小参数根据血管形状和大小进行设计。

3.根据权利要求1所述的血管成型装置，其特征在于，所述的电机为速度可精确控制的步进电机或伺服电机。

4.根据权利要求1所述的血管成型装置，其特征在于，旋转杆与电机的连接方式为通过一个轴套的直接连接、通过轴与传动机构进行的间接连接或通过磁性驱动连接。

5.一种采用权利要求1-4任一项所述的血管成型装置的血管成型方法，其特征在于，通过3D生物打印技术将生物打印墨汁打印到旋转杆上得到生物血管组织，然后通过生物培养得到需要的血管，具体包括以下步骤：

1)通过计算机辅助设计出旋转杆模型；

2)制备出步骤1）中所设计的旋转杆；

3)给步骤2)中设计的旋转杆上涂抹一层温敏性水凝胶材料；

4)将步骤3）中的旋转杆安装在血管成型装置上；

5)旋转电机带动旋转杆转动，利用3D生物打印技术并通过生物打印喷头将生物墨汁喷射到旋转杆表面上，在旋转杆上形成一层具有一定厚度的生物血管组织；

6)打印完毕后，通过生物培养形成生物血管。

6.根据权利要求5所述的血管成型方法，其特征在于：所述的3D生物打印技术主要为基于喷墨的生物打印技术或基于喷头挤压的生物打印技术或基于激光的生物打印技术。

7.根据权利要求5所述的血管成型方法，其特征在于：所述的生物墨汁为用于生物打印技术的墨汁，主要包括细胞打印墨汁和生物材料墨汁，其中细胞打印墨汁分两种，一种是内皮细胞打印墨汁，另一种为平滑肌细胞打印墨汁；生物材料墨汁为聚氨酯材料墨汁。

8.根据权利要求5所述的血管成型方法，其特征在于：所述的将生物墨汁打印到旋转杆上的具体方式是首先在温敏性水凝胶材料涂层表面上打印一层内皮细胞生物墨汁，然后在内皮细胞生物墨汁表面上打印平滑肌细胞生物墨汁。

9.根据权利要求5所述的血管成型方法，其特征在于：所述的生物打印喷头打印生物墨汁时其相对旋转杆的运动的轨迹为纵横编织结构或具有任意交叉角度的编织结构，喷头的运动和旋转杆的运动由计算机控制。

10.根据权利要求5所述的血管成型方法，其特征在于：所述的生物培养处理为将打印好的血管组织和旋转杆一起取下放入生物培养箱内，加入各种细胞生长因子和促分化因子，加速血管组织结构和各种生理功能发育成熟，得到所需要的血管。