CN104382670A - 一种人工器官的仿生构建方法 - Google Patents

Abstract

一种仿生人工器官的构建方法，先重构人工器官宏观外形的三维计算机模型，利用3D打印技术制备出外形与自然器官相近的树脂模型，在树脂模型的表面溅射金属薄膜，然后沉积微纳纤维结构层，除树脂模型即得到人工器官薄膜，将三维计算机模型导入计算机进行实体化，设计仿生血管微流道结构，建立分层结构的模型，利用3D打印技术制备出人工器官仿生细胞外基质，最后用制成的人工器官薄膜包裹制成的人工器官仿生细胞外基质，缝合两层人工器官薄膜的接触边缘，制成人工器官，本发明能够构建仿生外形、结构复杂、供细胞生长的多尺度多层次血管结构人工器官。

Description

一种人工器官的仿生构建方法

技术领域

本发明涉及组织器官工程技术领域，具体涉及一种人工器官的仿生构建方法。

背景技术

组织器官工程对仿生器官结构有特定的要求：相互贯通的三维微流道网、仿生细胞外基质环境和仿生器官外形。相互贯通三维微流道网供细胞贴壁生长形成血管，仿生细胞外基质供细胞聚团生长形成组织单元，仿生器官外形方便人工器官植入体内。因此，如何制造这种高度仿生人工器官成为组织工程的关键问题之一。

传统的构建方法包括相分离法、冷冻法、致孔剂析孔法和层叠法等。但这些方法无法实现器官的外形仿生，更重要的是难以构建结构复杂、供细胞生长的多尺度多层次器官血管结构。

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仿生人工器官的构建方法，能够构建仿生外形、结构复杂、供细胞生长的多尺度多层次血管结构人工器官。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种仿生人工器官的构建方法，包括以下步骤：

1)采用医学CT、核磁共振技术重构人工器官宏观外形的三维计算机模型；

2)将步骤1)重构的三维计算机模型以STL格式导出，利用3D打印技术制备出外形与自然器官相近的树脂模型，在树脂模型的表面均匀溅射一层金属薄膜作为接收器，然后采用静电纺丝技术在金属薄膜表面均匀沉积一层厚度为50-500微米的微纳纤维结构层，再去除树脂模型即得到人工器官薄膜，所述的微纳纤维结构层采用的材料为聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚集内酯、蚕丝蛋白或壳聚糖，所述的3D打印技术包括光固化、熔融沉积、激光选区烧结，所述的金属薄膜材料为铜、铂、铝或金；

3)将步骤1)重构的三维计算机模型以IGES格式导入计算机辅助设计软件进行实体化，在实体化的模型中设计仿生血管微流道结构，同时将实体化模型根据设计的仿生微流道的分叉结构及模型宏观结构特点进行分层，分别建立多个不同结构的模型，将设计的不同分层结构模型以STL格式导出，利用3D打印技术制备出各个分层结构树脂模具，按照模型分层顺序排列，灌注硅橡胶后固化得到各个分层结构硅橡胶模具，同时利用3D打印技术制备没有结构的树脂模具，同样灌注硅橡胶后固化得到无结构的硅橡胶模具；

4)将干冰放在金属干冰盒中，在步骤3)制造的无结构的硅橡胶模具中加入水，当干冰盒接触到水时，水快速变成冰模并被干冰盒带走，然后在步骤3)制造的各个分层结构硅橡胶模具中加入水凝胶生物材料溶液，当冰模接触到生物材料溶液时，冰模表面轻微融化，之后再次冰冻生物材料溶液，冰冻后的生物材料溶液与冰模建立稳定的连接，完成人工器官仿生细胞外基质冰结构第一层的制造，重复微复型过程，直至步骤3)中各个分层结构硅橡胶模具全部复制到人工器官仿生细胞外基质冰结构中，形成人工器官仿生细胞外基质冰结构，将制成的人工器官仿生细胞外基质冰结构进行交联处理，待完全交联后取出，制成人工器官仿生细胞外基质，所述的水凝胶生物材料为纤维蛋白、明胶、胶原或海藻酸钠，所述的交联方法有酶交联法、钙离子交联法或超声交联法；

5)用步骤1)制成的人工器官薄膜包裹步骤4)制成的人工器官仿生细胞外基质，缝合两层人工器官薄膜的接触边缘，制成人工器官。

本发明可实现人工器官内部由生物水凝胶材料制成，模拟细胞外基质，同时水凝胶包含着相互贯通的多尺度血管微流道网以模拟血管网络系统担负营养与氧气传输任务，人工器官外部由静电纺丝技术成形的微纳结构薄膜包裹，为人工器官提供力学支撑和仿生外形。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.人工器官薄膜提供力学支撑，保持仿生器官外形与结构与自然器官的相似性，有利于人造器官的移植和向自然器官的转变；

2.采用快速成形技术、微复型技术及冰制模具支架制造技术与传统指控工艺相结合，既能满足仿生器官流道和外形的设计要求，又能保证立体仿生器官的成型。

附图说明

附图是本发明实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明加以详述。

以构建人工肝脏为例。

一种人工肝脏的构建方法，包括以下步骤：

1)采用医学CT、核磁共振技术重构人工肝脏宏观外形的三维计算机模型；

2)将步骤1)重构的三维计算机模型以STL格式导出，利用3D打印技术制备出外形与自然肝脏相近的树脂模型，在树脂模型的表面均匀溅射一层金属薄膜作为接收器，然后采用静电纺丝技术在金属薄膜表面均匀沉积一层厚度为50-500微米的微纳纤维结构层，再去除树脂模型即得到人工肝脏薄膜，所述微纳纤维结构层采用的材料为聚乳酸-羟基乙酸共聚物，所述的3D打印技术为光固化，所述的金属薄膜材料为铜；

3)将步骤1)重构的三维计算机模型以IGES格式导入计算机辅助设计软件进行实体化，在实体化的肝脏模型中设计仿生血管微流道结构，同时将实体化模型根据设计的仿生微流道的分叉结构及模型宏观结构特点进行分层，分别建立多个不同分层结构的模型，将设计的不同分层结构模型以STL格式导出，利用3D打印技术制备出各个分层结构树脂模具，按照模型分层顺序排列，灌注硅橡胶后固化得到各个分层结构硅橡胶模具，同时利用3D打印技术制备无结构的树脂模具，同样灌注硅橡胶后固化得到无结构的硅橡胶模具；

4)将干冰放在金属干冰盒中，在步骤3)制造的无结构的硅橡胶模具中加入水，当干冰盒接触到水时，水快速变成冰模并被干冰盒带走，然后在步骤3)制造的各个分层结构硅橡胶模具中加入水凝胶生物材料溶液，当冰模接触到生物材料溶液时，冰模表面轻微融化，之后再次冰冻生物材料溶液，冰冻后的生物材料溶液与冰模建立稳定的连接，完成人工肝脏仿生细胞外基质冰结构第一层的制造，重复微复型过程，直至步骤3)各个分层结构硅橡胶模具结构全部复制到人工肝脏仿生细胞外基质冰结构中，形成人工肝脏仿生细胞外基质冰结构，将制成的人工肝脏仿生细胞外基质冰结构进行交联处理，待人工肝脏仿生细胞外基质冰结构完全交联后取出，制成人工肝脏仿生细胞外基质，所述的水凝胶生物材料为明胶，所述的交联方法为酶交联法；

5)用步骤1)制成的人工肝脏薄膜包裹步骤4制成的仿生细胞外基质，缝合两层人工肝脏薄膜的接触边缘，制成人工肝脏。

Claims (1)

1.一种仿生人工器官的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用医学CT、核磁共振技术重构人工器官宏观外形的三维计算机模型；

2)将步骤1)重构的三维计算机模型以STL格式导出，利用3D打印技术制备出外形与自然器官相近的树脂模型，在树脂模型的表面均匀溅射一层金属薄膜作为接收器，然后采用静电纺丝技术在金属薄膜表面均匀沉积一层厚度为50-500微米的微纳纤维结构层，再去除树脂模型即得到人工器官薄膜，所述微纳纤维结构层采用的材料为聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚集内酯、蚕丝蛋白或壳聚糖，所述的3D打印技术包括光固化、熔融沉积、激光选区烧结，所述的金属薄膜材料为铜、铂、铝或金；

3)将步骤1)重构的三维计算机模型以IGES格式导入计算机辅助设计软件进行实体化，在实体化的模型中设计仿生血管微流道结构，同时将实体化模型根据设计的仿生微流道的分叉结构及模型宏观结构特点进行分层，分别建立多个不同结构的模型，将设计的不同分层结构模型以STL格式导出，利用3D打印技术制备出各个分层结构树脂模具，按照模型分层顺序排列，灌注硅橡胶后固化得到各个分层结构硅橡胶模具，同时利用3D打印技术制备没有结构的树脂模具，同样灌注硅橡胶后固化得到无结构的硅橡胶模具；

4)将干冰放在金属干冰盒中，在步骤3)制造的无结构的硅橡胶模具中加入水，当干冰盒接触到水时，水快速变成冰模并被干冰盒带走，然后在步骤3)制造的各个分层结构硅橡胶模具中加入水凝胶生物材料溶液，当冰模接触到生物材料溶液时，冰模表面轻微融化，之后再次冰冻生物材料溶液，冰冻后的生物材料溶液与冰模建立稳定的连接，完成人工器官仿生细胞外基质冰结构第一层的制造，重复微复型过程，直至步骤3)中各个分层结构硅橡胶模具全部复制到人工器官仿生细胞外基质冰结构中，形成人工器官仿生细胞外基质冰结构，将制成的人工器官仿生细胞外基质冰结构进行交联处理，待完全交联后取出，制成人工器官仿生细胞外基质，所述的水凝胶生物材料为纤维蛋白、明胶、胶原或海藻酸钠，所述的交联方法有酶交联法、钙离子交联法或超声交联法；

5)用步骤1)制成的人工器官薄膜包裹步骤4)制成的人工器官仿生细胞外基质，缝合两层人工器官薄膜的接触边缘，制成人工器官。