CN104490491B - 一种生物相容的人工耳及其体外快速构建方法 - Google Patents

Abstract

一种生物相容的人工耳及其体外快速构建方法，属于生物器官工程及先进制造领域。本发明使用快速成形技术在体外构建人工耳，该人工耳与天然耳廓形貌和功能相似，并可与人工耳蜗组件复合使得听力恢复。本发明的人工耳朵包括皮肤模拟层、水凝胶层、水凝胶微囊层和骨架模拟层；皮肤模拟层和骨架模拟层为合成高分子材料；水凝胶层和水凝胶微囊层为含细胞和生长因子的天然高分子材料，具备较强的生物活性，有助于(软)骨组织、血管系统和神经系统的再生。本发明还可复合有人工耳蜗组件，包括耳道外部分和耳道内部分。本发明可用于用于外科整形手术替换病人的畸形外耳；复合人工耳蜗组件后，该人工耳可用于听力缺陷的治疗和恢复。

Description

一种生物相容的人工耳及其体外快速构建方法

技术领域

本发明属于组织器官制造及生物工程领域，涉及一种生物相容的人工耳朵及其体外快速构建的方法。

背景技术

治疗由于先天后天因素造成的耳部损伤和畸形仍是临床上的难题。先天性小耳畸形的患者耳廓发育不完全，伴有一定的外耳道闭锁或狭窄和中耳畸形，但内尔发育正常，仍保留有部分听力。先天性小耳畸形一般通过全耳郭再造和听功能强化手术治疗。对于外耳及内耳发育均不正常的患者来讲，则需要采用外耳整形和听力恢复的同时治疗。

先天性小耳畸形和杯状耳是常见的两种先天性耳廓畸形，目前的治疗方案主要包括软骨管成形术或加用钢丝悬吊、耳廓复合组织瓣游离移植法和皮肤扩张术加自体肋软骨移植行部分外耳再造术[李学川,东大学学报(医学版),44(6):626-629]。这些方法在一定程度上通过物理手段完成对外耳轮廓的修复，达到了整形的目的，但不适用于耳部缺损较多的病例，同时上述方法创伤大，生物相容性不高。

组织工程学(Tissue Engineering)和器官制造(Organ Manufacturing)利用工程和医学相结合的概念，从组织修复和器官再造的层面为这一难题有了崭新的解决途径。人造仿生结构可用于植入体内修复组织缺损，替代器官功能；也可或作为一种体外装置，暂时替代器官功能[曹谊林等,临床外科杂志,2007,15(1):40-41]。随着自动化技术的普及，组织器官制造也在逐步向自动化程度高的方向迈进。结合快速成形(又名三维打印)技术，研究者们已经可以制备出人工组织或简单器官，由于病人患病部位的修复或替换。同时，干细胞技术和先进材料成形工艺的优化，也对组织/器官再造领域有积极的推进作用。

清华大学器官制造中心(Center of Organ Manufacturing)在3D打印技术和旋转组合模具法的基础上，对一系列生物组织和器官前体进行了体外的修复和再生。利用现有的单/双喷头快速成形技术，目前已有简单的肝组织、血管网和大段骨修复材料等[Wang X,et al.Trends inBiotechnology,2007,25:505；Wang X.Artificial organs,2012,36:591]。利用旋转组合模具法[专利201210324600.4]，该中心已设计出具有通道的血管化器官前体。除了上述的体内组织的制备，这些快速制备组织/器官的技术能够人工耳的体外制备提供思路。结合干细胞技术和复合材料的技术，我们提出利用多喷头3D打印法制备人工耳，该人工耳在形貌和功能上与真实耳朵接近一致，解决了外科整形的难题；同时该人工耳含有生物相容性良好的抗缝合的高分子材料，减轻了免疫排斥的风险；引入血管、神经系统封装和干细胞技术，该发明的人工耳具备很强的再生能力，是真正意义上的有活性的人造耳。该人工耳复合了三维打印技术、干细胞技术、复合材料技术、人工耳蜗技术，将复杂器官制造技术在耳修复和再生方面进一步推进。

通过以上分析，现有技术条件下的人工耳生物相容性低，仅有外科整形的作用，并且整形的代价高，大多是基于物理的修复手段。基于3D打印这一快速制造技术，我们利用干细胞技术和复合材料技术制备具备生物活性、生物相容性、抗缝合和再生能力的人工耳朵，用于耳部缺损病变的修复或替代。同时，该发明的人工耳还可嵌入人工耳蜗组件，能够对内耳损伤起到听力辅助作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物相容的人工耳及其体外快速构建的方法。该人工耳用于对修复或替换人的病变或缺损的外耳，本发明的人工耳在复合人工耳蜗后能够对内耳损伤起到听力辅助作用。

本发明的技术方案如下：

一种生物相容的人工耳，其特征在于：所述人工耳包括皮肤模拟层、水凝胶层、水凝胶微囊层和骨架模拟层；所述人工耳具有人体真实外耳耳廓形貌；所述骨架模拟层位于人工耳的中部，所述的含血管再生和神经再生系统的水凝胶微囊层和水凝胶层依次对称排布在骨架模拟层两侧；所述皮肤模拟层为抗缝合的可降解或不可降解的合成高分子材料；所述骨架模拟层为抗缝合的可降解或不可降解的合成高分子材料；所述水凝胶层和水凝胶微囊层含有细胞和生长因子。

上述技术方案中，所述人工耳还包括人工耳蜗组件；该人工耳蜗组件分为耳道外部分和耳道内部分；耳道外部分嵌入人工耳内；耳道内部分放置于人体的耳道内；耳道外部分包括声音接收器、言语处理器和信号发射器；耳道内部分包括信号接收器及电刺激器、电极和听觉神经连接线；信号发射器与信号接收器及电刺激器相对放置；电极置于人体耳蜗部位；听觉神经连接线与人体耳内听觉神经束连接。

本发明所述的人工耳的皮肤模拟层的厚度为50μm～1mm；所述骨架模拟层的厚度为500μm～5mm；所述水凝胶层厚度为500μm～5mm；所述水凝胶微囊层厚度为500μm～5mm，其微囊粒径为20μm～100μm；所述水凝胶层和水凝胶微囊层含有的细胞浓度为10～10⁸个/mL。所述水凝胶层和水凝胶微囊层含有的细胞为内皮细胞、软骨细胞、神经细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞、成体干细胞、胚胎干细胞和诱导多能干细胞中的至少一种。

本发明所述的人工耳的水凝胶层和水凝胶微囊层采用质量百分浓度为0.1～20％的海藻酸钠、活性肽、胶原、基质胶、肝素、硫酸软骨素、透明质酸、粘多糖、糖蛋白、基质胶、右旋糖、壳聚糖、明胶和纤维蛋白原中的至少一种。所述合成高分子材料为聚氨酯、聚乙烯、聚己内酯、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、聚甲基丙烯酸甲酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的至少一种。

本发明还提供了一种体外快速构建生物相容的人工耳的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

1)由计算机设计所述人工耳的数字三维模型，或者由医学扫描成像技术得到人的外耳耳廓图像作为所述人工耳的数字三维模型，并由计算机控制复合多喷头三维打印设备的运行进行打印成形；

2)将配制好的质量百分浓度为0.1～20％的水凝胶与至少一种细胞和生长因子混合，使得细胞密度为10～10⁸个/mL，并依据细胞的种类组合装载到复合多喷头三维打印设备的不同挤压喷头组件中；将配制好的质量百分浓度为0.1～20％的水凝胶与细胞和生长因子混合，使得细胞密度为10～10⁸个/mL，利用微囊制备技术得到水凝胶微囊，并制成水凝胶微囊的悬浮液，并依据细胞的种类或组合将该悬浮液装载到三维打印设备的不同喷头组件中；

3)将不可降解的合成高分子材料装载到复合多喷头三维打印设备的熔融挤压喷头组件中，加热使得合成高分子材料融化；或将可降解的合成高分子材料溶于有机溶剂中得到质量体积浓度为1～40％的溶液；

4)制备骨架模拟层：依据步骤1)的三维模型，利用复合多喷头三维打印设备挤出融化的不可降解的合成高分子材料，逐层堆积得到骨架模拟层；或者利用复合多喷头三维打印设备挤出可降解的合成高分子溶液，逐层堆积得到骨架模拟层，并萃取有机溶剂；

5)制备水凝胶微囊层：利用复合多喷头三维打印设备的挤压或喷雾喷头组件在步骤4)的基础上挤出或喷涂水凝胶微囊的悬浮液，制备水凝胶微囊层；

6)制备水凝胶层：利用复合多喷头三维打印设备在步骤5)的基础上挤出或喷涂步骤2)中所配制好的含细胞的水凝胶，得到至少一层水凝胶层，并采用交联剂固定所得水凝胶层；

7)制备皮肤模拟层：利用复合多喷头三维打印设备在步骤6)所得水凝胶层外围喷涂合成高分子溶液并萃取，得到皮肤模拟层；最终得到所述的人工耳。

本发明也提供了另外一种体外快速构建生物相容的人工耳的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

1)由计算机设计所述人工耳的数字三维模型，或者由医学扫描成像技术得到人的外耳耳廓图像作为所述人工耳的数字三维模型，并由计算机控制复合多喷头三维打印设备的运行进行打印成形；

2)将配制好的质量百分浓度为0.1～20％的水凝胶与至少一种细胞和生长因子混合，使得细胞密度为10～10⁸个/mL，并依据细胞的种类组合装载到复合多喷头三维打印设备的不同挤压喷头组件中；将配制好的质量百分浓度为0.1～20％的水凝胶与细胞和生长因子混合，使得细胞密度为10～10⁸个/mL，利用微囊制备技术得到水凝胶微囊，并制成水凝胶微囊的悬浮液，并依据细胞的种类或组合将该悬浮液装载到三维打印设备的不同喷头组件中；

3)将不可降解的合成高分子材料装载到复合多喷头三维打印设备的熔融挤压喷头组件中，加热使得合成高分子材料融化；或将可降解的合成高分子材料溶于有机溶剂中得到质量体积浓度为1～40％的溶液；

4)制备骨架模拟层：依据步骤1)的三维模型，利用复合多喷头三维打印设备挤出融化的不可降解的合成高分子材料，逐层堆积得到骨架模拟层；或者利用复合多喷头三维打印设备挤出可降解的合成高分子溶液，逐层堆积得到骨架模拟层，并萃取有机溶剂；

5)制备水凝胶微囊层：利用复合多喷头三维打印设备的挤压或喷雾喷头组件在步骤4)的基础上挤出或喷涂水凝胶微囊的悬浮液，制备水凝胶微囊层；

6)制备水凝胶层：利用复合多喷头三维打印设备在步骤5)的基础上挤出或喷涂步骤2)中所配制好的含细胞的水凝胶，得到至少一层水凝胶层，并采用交联剂固定所得水凝胶层；

7)在上述步骤基础上，放置人工耳蜗的耳道外部分，使得人工耳蜗的耳道外部分镶嵌于人工耳内部；

8)制备皮肤模拟层：利用复合多喷头三维打印设备在上述结构外围喷涂合成高分子溶液并萃取，得到皮肤模拟层；最终得到具备人工耳蜗组件的生物相容的人工耳，将所述耳道内部分置于人体的耳道内。

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本发明的人工耳，以现有的三维打印将细胞和高分子材料混合物进一步复合，用于外科整形修复；该人工耳在形貌上与真实耳朵类似，在结构上和功能上极大程度地模拟了耳廓形貌，为患者耳部缺损的整形修复这一难题提供了解决方案。

②本发明的人工耳还可具备人工耳蜗部分，能够对内耳损伤起到听力辅助作用。

③本发明的人工耳采纳了干细胞技术，该人工耳具备一定的体外再生能力，可与病人的个性化治疗方案相结合。

④本发明的人工耳，采用生物相容性良好的合成高分子以及天然高分子水凝胶，尽可能降低了人工耳的生物毒性，具备可控的材料的降解率。

⑤本发明的人工耳的快速构建方法，采用三维打印技术，能够快速构建耳部模型并实现精确制备，具备较高的可重复性。

附图说明

图1a和1b分别为生物相容的人工耳和含人工耳蜗组件的生物相容的人工耳的轮廓示意图。

图2为生物相容的人工耳的结构爆炸示意图。

图3为含人工耳蜗组件的生物相容的人工耳的结构爆炸示意图。

图4a、4b和4c分别为骨架模拟层、水凝胶微囊层的水凝胶层的示意图。

图5为人工耳蜗组件的结构示意图。

图中：201-皮肤模拟层；202-水凝胶层；203-水凝胶微囊层；204-骨架模拟层；301-人工耳蜗耳道内部分；302-人工耳蜗耳道外部分；501-声音接收器；502-导线；503-言语处理器；504-信号发射器；505-信号接收器及和电刺激器；507-电极。

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。

图1a为生物相容的人工耳的轮廓示意图。图1b为含人工耳蜗组件的生物相容的人工耳的轮廓示意图。

图2为图1a中生物相容的人工耳的结构爆炸示意图，该人工耳包括皮肤模拟层201、水凝胶层202、水凝胶微囊层203和骨架模拟层204；所述人工耳具有人体真实外耳耳廓形貌；所述骨架模拟层204位于人工耳的中部；所述的含血管再生和神经再生系统的水凝胶微囊层203和水凝胶层202依次对称排布在骨架模拟层204两侧；所述皮肤模拟层201为抗缝合的可降解或不可降解的合成高分子材料；所述骨架模拟层204为抗缝合的可降解或不可降解的合成高分子材料；所述水凝胶层202和水凝胶微囊层203含有细胞和生长因子。图4a、4b和4c分别为骨架模拟层、水凝胶微囊层的水凝胶层的示意图。

图3为图1b中含人工耳蜗组件的生物相容的结构爆炸示意图，该结构在图2的结构基础上，还包括人工耳蜗组件，图5为人工耳蜗组件的结构示意图。该人工耳蜗组件分为耳道外部分301和耳道内部分302；耳道外部分301嵌入人工耳内；耳道内部分302放置于人体的耳道内。耳道外部分301包括声音接收器501、言语处理器503和信号发射器504；耳道内部分302包括信号接收器及电刺激器505、电极506和听觉神经连接线507；信号发射器504与信号接收器及电刺激器505相对放置；电极506置于人体耳蜗部位；听觉神经连接线507与人体耳内听觉神经束连接。

图2和图3的结构中，所述皮肤模拟层201的厚度为50μm～1mm；所述骨架模拟层204的厚度为500μm～5mm；所述水凝胶层202厚度为500μm～5mm；所述水凝胶微囊层203厚度为500μm～5mm，其微囊粒径为20μm～100μm；所述水凝胶层202和水凝胶微囊层203含有的细胞浓度为10～10⁸个/mL。所述水凝胶层202和水凝胶微囊层203含有的细胞为内皮细胞、软骨细胞、神经细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞、成体干细胞、胚胎干细胞和诱导多能干细胞中的至少一种。所述水凝胶层202和水凝胶微囊层采用质量百分浓度为0.1～20％的海藻酸钠、活性肽、胶原、基质胶、肝素、硫酸软骨素、透明质酸、粘多糖、糖蛋白、基质胶、右旋糖、壳聚糖、明胶和纤维蛋白原中的至少一种。所述合成高分子材料为聚氨酯、聚乙烯、聚己内酯、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、聚甲基丙烯酸甲酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的至少一种。

本发明利用快速成形(三维打印)技术来制备生物相容的人工耳，其方法包括如下步骤：

1)由计算机设计所述人工耳的数字三维模型，或者由医学扫描成像技术得到人的外耳耳廓图像作为所述人工耳的数字三维模型，并由计算机控制复合多喷头三维打印设备的运行进行打印成形；

2)将配制好的质量百分浓度为0.1～20％的水凝胶与至少一种细胞和生长因子混合，使得细胞密度为10～10⁸个/mL，并依据细胞的种类组合装载到复合多喷头三维打印设备的不同挤压喷头组件中；将配制好的质量百分浓度为0.1～20％的水凝胶与细胞和生长因子混合，使得细胞密度为10～10⁸个/mL，利用微囊制备技术得到水凝胶微囊，并制成水凝胶微囊的悬浮液，并依据细胞的种类或组合将该悬浮液装载到三维打印设备的不同喷头组件中；

3)将不可降解的合成高分子材料装载到复合多喷头三维打印设备的熔融挤压喷头组件中，加热使得合成高分子材料融化；或将可降解的合成高分子材料溶于有机溶剂中得到质量体积浓度为1～40％的溶液；

4)制备骨架模拟层：依据步骤1)的三维模型，利用复合多喷头三维打印设备挤出融化的不可降解的合成高分子材料，逐层堆积得到骨架模拟层；或者利用复合多喷头三维打印设备挤出可降解的合成高分子溶液，逐层堆积得到骨架模拟层204，并萃取有机溶剂；

5)制备水凝胶微囊层：利用复合多喷头三维打印设备的挤压或喷雾喷头组件在步骤4)的基础上挤出或喷涂水凝胶微囊的悬浮液，制备水凝胶微囊层203；

6)制备水凝胶层：利用复合多喷头三维打印设备在步骤5)的基础上挤出或喷涂步骤2)中所配制好的含细胞的水凝胶，得到至少一层水凝胶层，并采用交联剂固定所得水凝胶层202；

7)制备皮肤模拟层：利用复合多喷头三维打印设备在步骤6)所得水凝胶层外围喷涂合成高分子溶液并萃取，得到皮肤模拟层201；最终得到所述的人工耳。

本发明利用快速成形(三维打印)技术来制备含人工耳蜗组件的生物相容的人工耳，其方法包括如下步骤：

1)由计算机设计所述人工耳的数字三维模型，或者由医学扫描成像技术得到人的外耳耳廓图像作为所述人工耳的数字三维模型，并由计算机控制复合多喷头三维打印设备的运行进行打印成形；

2)将配制好的质量百分浓度为0.1～20％的水凝胶与至少一种细胞和生长因子混合，使得细胞密度为10～10⁸个/mL，并依据细胞的种类组合装载到复合多喷头三维打印设备的不同挤压喷头组件中；将配制好的质量百分浓度为0.1～20％的水凝胶与细胞和生长因子混合，使得细胞密度为10～10⁸个/mL，利用微囊制备技术得到水凝胶微囊，并制成水凝胶微囊的悬浮液，并依据细胞的种类或组合将该悬浮液装载到三维打印设备的不同喷头组件中；

3)将不可降解的合成高分子材料装载到复合多喷头三维打印设备的熔融挤压喷头组件中，加热使得合成高分子材料融化；或将可降解的合成高分子材料溶于有机溶剂中得到质量体积浓度为1～40％的溶液；

4)制备骨架模拟层：依据步骤1)的三维模型，利用复合多喷头三维打印设备挤出融化的不可降解的合成高分子材料，逐层堆积得到骨架模拟层；或者利用复合多喷头三维打印设备挤出可降解的合成高分子溶液，逐层堆积得到骨架模拟层204，并萃取有机溶剂；

5)制备水凝胶微囊层：利用复合多喷头三维打印设备的挤压或喷雾喷头组件在步骤4)的基础上挤出或喷涂水凝胶微囊的悬浮液，制备水凝胶微囊层203；

6)制备水凝胶层：利用复合多喷头三维打印设备在步骤5)的基础上挤出或喷涂步骤2)中所配制好的含细胞的水凝胶，得到至少一层水凝胶层，并采用交联剂固定所得水凝胶层202；

7)在上述步骤基础上，放置人工耳蜗的耳道外部分301，使得人工耳蜗的耳道外部分301镶嵌于人工耳内部；

8)制备皮肤模拟层：利用复合多喷头三维打印设备在上述结构外围喷涂合成高分子溶液并萃取，得到皮肤模拟层201；最终得到具备人工耳蜗组件的生物相容的人工耳，将所述耳道内部分302置于人体的耳道内。

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：利用多喷头三维打印制备一种生物相容的人工耳。

a)由计算机设计所述人工耳的数字三维模型，并由计算机分配打印成形路径，控制三维打印设备的运行；

b)将配制好的质量体积浓度为2％的海藻酸钠与20％的明胶混合，得到天然高分子的海藻酸钠/明胶水凝胶，将软骨细胞与该水凝胶混合，混合后的软骨细胞浓度为10⁸个/mL；将含软骨细胞的水凝胶装载到复合多喷头三维打印设备的挤压喷头组件中；利用微囊制备工艺，得到粒径为100μm的含脂肪干细胞和内皮细胞生长因子的水凝胶微囊，将该微囊悬浮于磷酸盐缓冲液(PBS)中，其中脂肪干细胞密度为10⁷个/mL将上述PBS细胞微囊悬浮液装载到复合多喷头三维打印设备的另一挤压喷头组件中；将配制好的质量体积浓度为0.1％的纤维蛋白原与神经细胞混合，装载到复合多喷头三维打印设备的喷雾或喷涂喷头组件中,其中神经细胞密度为10⁴个/mL；将配制好的质量体积浓度为1％的纤维蛋白原与软骨细胞混合，装载到复合多喷头三维打印设备的喷雾或喷涂喷头组件中,其中软骨细胞密度为10⁵个/mL；

c)将合成高分子聚己内酯(PCL)装载到复合多喷头三维打印设备的熔融挤压喷头组件中，加热并保温在65℃使得合成高分子材料融化；

d)制备骨架模拟层：依据步骤a)的三维模型，利用复合多喷头三维打印设备挤出融化的PCL纤维丝，纤维丝的直径为100μm，逐层堆积得到骨架模拟层，纤维交错排列，纤维层构成了骨架模拟层，厚度500mm；

e)制备水凝胶层：利用复合多喷头三维打印设备的挤压喷头组件在步骤d)的基础上挤出含软骨细胞海藻酸钠/明胶水凝胶，用2％的CaCl₂对该水凝胶层海藻酸钠进行交联,得到水凝胶层，水凝胶层的厚度为500μm；以此步骤再制备含有含神经细胞海藻酸钠/明胶/纤维蛋白原的厚度为2mm的水凝胶层；

f)制备水凝胶微囊层：依据步骤a)的三维模型，利用复合多喷头三维打印设备的喷涂喷头组件在步骤e)的基础上喷出含脂肪干细胞和内皮细胞生长因子的纤维蛋白原水凝胶微囊的PBS悬浮液，之后用1000U凝血酶对纤维蛋白原聚合,该层的厚度为500μm；

g)制备另一水凝胶层：利用复合多喷头三维打印设备的挤压喷头组件在步骤f)的基础上挤出纤维蛋白原水凝胶和雪旺氏细胞，用1000U凝血酶对纤维蛋白原聚合,得到水凝胶层，水凝胶层的厚度为1mm；

h)制备皮肤模拟层：将聚氨酯(PU)溶解于四乙二醇中，得到质量体积浓度为5％的溶液，利用复合多喷头三维打印设备的喷涂喷头装置在上述结构人工耳外围喷涂合PU溶液并采用PBS萃取，得到皮肤模拟层，皮肤模拟层的厚度为1mm；

i)将上述人工耳进行体外培养，以备后续移植。

实施例2：利用多喷头三维打印制备一种生物相容的人工耳。

a)由计算机设计所述人工耳的数字三维模型，并由计算机分配打印成形路径，控制三维打印设备的运行；

b)将配制好的质量体积浓度为3％的海藻酸钠与15％的明胶混合，得到天然高分子的水凝胶，将软骨细胞、脂肪干细胞、雪旺氏细胞与分别与该水凝胶混合，混合后的软骨细胞密度为10⁷个/mL，脂肪干细胞密度为10⁴个/mL，雪旺氏细胞密度为10⁶个/mL；将含细胞的水凝胶装载到复合多喷头三维打印设备的挤压喷头组件中；利用微囊制备工艺，得到粒径为20μm的内皮细胞生长因子的1％的纤维蛋白原水凝胶微囊，将该微囊与脂肪干细胞混合，并使含脂肪干细胞的微囊悬浮于磷酸盐缓冲液(PBS)中，其中脂肪干细胞的密度均为10⁵个/mL，将上述PBS细胞微囊悬浮液装载到复合多喷头三维打印设备的喷雾或喷涂喷头组件中；

c)将合成高分子聚氨酯(PU)溶于有机溶剂四乙二醇中得到20％的溶液，并装载到复合多喷头三维打印设备的挤压喷头组件中；

d)制备骨架模拟层：依据步骤a)的三维模型，利用复合多喷头三维打印设备挤出PU，挤出的PU纤维丝的直径为200μm，逐层堆积得到骨架模拟层，纤维交错排列，纤维层构成了骨架模拟层，厚度1mm，并萃取有机溶剂；

e)制备水凝胶微囊层：依据步骤a)的三维模型，利用复合多喷头三维打印设备的喷雾喷头组件在步骤d)的基础上喷涂脂肪干细胞和内皮细胞生长因子纤维蛋白原微囊的PBS悬浮液，该层的厚度为5mm；

f)制备水凝胶层：利用复合多喷头三维打印设备的挤出喷头组件在步骤e)的基础上分别挤出含软骨细胞、脂肪干细胞、雪旺氏细胞海藻酸钠/明胶水凝胶，得到水凝胶层，水凝胶层的总厚度为5mm，之后用2％的CaCl₂对该水凝胶层进行交联；

g)制备皮肤模拟层：将聚氨酯(PU)溶解于四乙二醇中，得到质量体积浓度为20％的溶液，利用复合多喷头三维打印设备的喷涂喷头装置在上述结构人工耳外围喷涂合PU溶液并采用PBS萃取，得到皮肤模拟层，皮肤模拟层的厚度为50μm；

h)将上述人工耳进行体外培养，以用于后续的耳部手术中。

实施例3：利用多喷头三维打印制备一种生物相容的嵌有人工耳蜗的人工耳。

a)由CT扫描正常人体的外耳耳廓得到数字三维模型用作人工耳的轮廓设计，并由计算机分配打印成形路径，控制三维打印设备的运行；

b)将配制好的质量体积浓度为1％的纤维蛋白原与5％的胶原，得到天然高分子的水凝胶，将软骨干细胞与该水凝胶混合，混合后的软骨干细胞浓度为10⁵个/mL；将含软骨干细胞的水凝胶装载到复合多喷头三维打印设备的挤压喷头组件中；利用微囊制备工艺，得到粒径为300μm的含神经细胞生长因子水凝胶微囊，将该微囊与脂肪干细胞混合，并使微囊软骨干细胞悬浮于磷酸盐缓冲液(PBS)中，其中脂肪干细胞密度为10³个/mL，将上述PBS细胞微囊悬浮液装载到复合多喷头三维打印设备的喷雾或喷涂喷头组件中；将配制好的质量体积浓度为1％的纤维蛋白原与脂肪干细胞和内皮细胞生长因子复合，复合后的脂肪干细胞浓度为10⁶个/mL，装载到复合多喷头三维打印设备的喷雾喷头组件中挤出喷头组件中；将上述含脂肪干细胞和内皮细胞生长因子纤维蛋白原溶液的装载到复合多喷头三维打印设备的喷雾喷头组件中，其中脂肪干细胞密度为10⁴个/mL；将上述软骨干细胞和5％壳聚糖的溶液装载到复合多喷头三维打印设备的喷雾喷头组件中，其中软骨干细胞密度为10²个/mL；

c)将合成高分子聚乙烯(PE)装载到复合多喷头三维打印设备的熔融挤压喷头组件中，加热并保温在270℃使得合成高分子材料融化；

d)制备骨架模拟层：依据步骤a)的三维模型，利用复合多喷头三维打印设备挤出融化的PE纤维丝，纤维丝的直径为200μm，逐层堆积得到骨架模拟层，纤维交错排列，纤维层构成了骨架模拟层，厚度2mm；

e)制备水凝胶微囊层：依据步骤a)的三维模型，利用复合多喷头三维打印设备的喷雾喷头组件在步骤d)的基础上喷涂含神经细胞生长因子和脂肪干细胞水凝胶微囊，该层的厚度为3mm；

f)制备水凝胶层：利用复合多喷头三维打印设备的挤出喷头组件在步骤e)的基础上挤出含脂肪干细胞和内皮细胞生长因子纤维蛋白原水凝胶，得到水凝胶层，水凝胶层的厚度为1mm，之后用10％的凝血酶对纤维蛋白原进行聚合；

g)制备另一水凝胶层将上述软骨干细胞和壳聚糖溶液的装载到复合多喷头三维打印设备的喷雾喷头组件中，其中软骨干细胞密度为10²个/mL,利用复合多喷头三维打印设备的喷雾喷头组件在步骤f)的基础上喷涂2％的多聚甲醛对壳聚糖进行交联；

h)嵌入人工耳蜗耳道外部分：将人工耳蜗的耳道外部分放置于g)中的壳聚糖水凝胶层上；

i)制备皮肤模拟层：将聚氨酯(PU)溶解于四乙二醇中，得到质量体积浓度为2.5％的溶液，利用复合多喷头三维打印设备的喷涂喷头装置在上述结构人工耳外围喷涂合PU溶液并采用PBS萃取，得到皮肤模拟层，皮肤模拟层的厚度为500μm；

j)将上述人工耳进行体外培养，以用于后续的耳部手术中；后续手术时，需要把人工耳蜗组件的耳道内部分通过手术植入耳道内，然后再进行人工耳的移植。

Claims (7)

1.一种生物相容的人工耳，其特征在于：所述人工耳包括皮肤模拟层(201)、水凝胶层(202)、水凝胶微囊层(203)和骨架模拟层(204)；所述人工耳具有人体真实外耳耳廓形貌；所述骨架模拟层(204)位于人工耳的中部；含血管再生和神经再生系统的水凝胶微囊层(203)和水凝胶层(202)依次对称排布在骨架模拟层(204)两侧；所述皮肤模拟层(201)为抗缝合的可降解或不可降解的合成高分子材料；所述骨架模拟层(204)为抗缝合的可降解或不可降解的合成高分子材料；所述水凝胶层(202)和水凝胶微囊层(203)含有细胞和生长因子。

2.如权利要求1所述的一种生物相容的人工耳，其特征在于：所述人工耳还包括人工耳蜗组件；该人工耳蜗组件分为耳道外部分(301)和耳道内部分(302)；耳道外部分(301)嵌入人工耳内；耳道内部分(302)放置于人体的耳道内；耳道外部分(301)包括声音接收器(501)、言语处理器(503)和信号发射器(504)；耳道内部分(302)包括信号接收器及电刺激器(505)、电极(506)和听觉神经连接线(507)；信号发射器(504)与信号接收器及电刺激器(505)相对放置；电极(506)置于人体耳蜗部位；听觉神经连接线(507)与人体耳内听觉神经束连接。

3.如权利要求1或2所述的一种生物相容的人工耳，其特征在于：所述皮肤模拟层(201)的厚度为50μm～1mm；所述骨架模拟层(204)的厚度为500μm～5mm；所述水凝胶层(202)厚度为500μm～5mm；所述水凝胶微囊层(203)厚度为500μm～5mm，其微囊直径为20μm～100μm；所述水凝胶层(202)和水凝胶微囊层(203)含有的细胞浓度为10～10⁸个/mL。

4.如权利要求1或2所述的一种生物相容的人工耳，其特征在于：所述水凝胶层(202)和水凝胶微囊层(203)含有的细胞为内皮细胞、软骨细胞、神经细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞、成体干细胞、胚胎干细胞和诱导多能干细胞中的至少一种。

5.如权利要求1或2所述的一种生物相容的人工耳，其特征在于：所述水凝胶层(202)和水凝胶微囊层采用质量百分浓度为0.1～20％的海藻酸钠、活性肽、胶原、基质胶、肝素、硫酸软骨素、透明质酸、粘多糖、糖蛋白、基质胶、右旋糖、壳聚糖、明胶和纤维蛋白原中的至少一种。

6.如权利要求1或2所述的一种生物相容的人工耳，其特征在于：所述合成高分子材料为聚氨酯、聚乙烯、聚己内酯、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、聚甲基丙烯酸甲酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的至少一种。

7.一种体外快速构建如权利要求1所述生物相容的人工耳的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

1)由计算机设计所述人工耳的数字三维模型，或者由医学扫描成像技术得到人的外耳耳廓图像作为所述人工耳的数字三维模型，并由计算机控制复合多喷头三维打印设备的运行进行打印成形；

2)将配制好的质量百分浓度为0.1～20％的水凝胶与至少一种细胞和生长因子混合，使得细胞密度为10～10⁸个/mL，并依据细胞的种类组合装载到复合多喷头三维打印设备的不同挤压喷头组件中；将配制好的质量百分浓度为0.1～20％的水凝胶与细胞和生长因子混合，使得细胞密度为10～10⁸个/mL，利用微囊制备技术得到水凝胶微囊，并制成水凝胶微囊的悬浮液，并依据细胞的种类或组合将该悬浮液装载到三维打印设备的不同喷头组件中；

3)将不可降解的合成高分子材料装载到复合多喷头三维打印设备的熔融挤压喷头组件中，加热使得合成高分子材料融化；或将可降解的合成高分子材料溶于有机溶剂中得到质量体积浓度为1～40％的溶液；

4)制备骨架模拟层：依据步骤1)的三维模型，利用复合多喷头三维打印设备挤出步骤3)中融化的不可降解的合成高分子材料，逐层堆积得到骨架模拟层；或者利用复合多喷头三维打印设备挤出步骤3)中的可降解的合成高分子溶液，逐层堆积得到骨架模拟层(204)，并萃取有机溶剂；

5)制备水凝胶微囊层：利用复合多喷头三维打印设备的挤压或喷雾喷头组件在步骤4)的基础上挤出或喷涂步骤2)中制备的水凝胶微囊的悬浮液，制备水凝胶微囊层(203)；

6)制备水凝胶层：利用复合多喷头三维打印设备在步骤5)的基础上挤出或喷涂步骤2)中所配制好的含细胞的水凝胶，得到至少一层水凝胶层，并采用交联剂固定所得水凝胶层(202)；

7)制备皮肤模拟层：利用复合多喷头三维打印设备在步骤6)所得水凝胶层外围喷涂合成高分子溶液并萃取，得到皮肤模拟层(201)；最终得到所述的人工耳。