CN105012060A - 制备三维多尺度血管化支架的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备三维多尺度血管化支架的方法，结合了增材制造、减材制造和机械去除三种方法构建了一款三维多尺度血管化支架。本方法包括如下步骤：1）工业3D打印FDM技术制备接收平台。2）生物3D打印机在接收平台上打印支架基底。3）生物3D打印机打印牺牲材料立体结构。4）重复步骤2的过程包覆牺牲材料立体网络结构做成最终三维血管化支架，然后将牺牲材料液化得到通道形成三维网络结构，最终得到三维多尺度血管化支架。本发明是结合多种工艺一起，并通过生物3D打印这个平台上制备，可以根据需求任意调节其中的尺寸和结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种移植替代物的制备方法，尤其是涉及一种血管支架的制备方法，应用于生物制造技术领域。
背景技术
针对疾病或者自然衰老造成人体中器官逐渐失去功能，现在医学主要采用的手段为切除器官上受损部位或者移植他人器官。近年来随着生物制造飞速发展让人们看到可以制备器官的希望。在生物制造技术制备器官中最大的技术瓶颈之一就是让制备的生物体实现血管化。如若无法形成血管化，生物体中的细胞会因为营养物质传输不进去，本身代谢又出不来而坏死。因此，实现生物体血管化显得尤为重要。作为一种新兴技术，生物制造技术具有良好的发展前景和广阔的应用市场。血管化支架的制备工艺一直以来也是生物制造领域的研究热点。
目前，尽管现在生物制造领域已经有了不少血管化支架，但主要集中在一维单根纤维血管化支架和二维平面血管化支架，三维立体血管化支架少之又少，并不能满足现阶段生物制造领域所面临的要求。而针对三维立体血管化支架，现阶段的大多数血管化支架并不能实现立体通道网络互通以及多尺度通道。同时针对现在大部分的血管化支架还并不能实现自动化生产制备。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种制备三维多尺度血管化支架的方法，针对现阶段本身三维血管化支架非常稀缺的现状，从生物3D打印自动化生产大方向出发，开发了由增材制造、减材制造及机械去除三种方式结合，通过同时使用这三种工艺方法来制备这款三维多尺度血管化支架，满足现阶段生物制造领域的要求，使现在大部分的血管化支架都能实现自动化生产制备，提高了血管支架的制备效率，保证了血管支架的制备质量、精度要求和其他临床性能要求。
为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：
一种制备三维多尺度血管化支架的方法，包括以下步骤：
a．打印接收平台：通过工业3D打印FDM方法制备接收平台，打印使用材料为ABS，并在所述接收平台上直接打印出机械去除结构，打印出来的接收平台进过后处理之后在接收平台表面上涂覆交联剂；在接收平台上设置的机械去除结构优选为表面光滑的柱状构件；在接收平台上设置的机械去除结构进一步优选为圆柱状构件、三棱柱状构件、四棱的方柱状构件和多于四棱的柱状构件中的任意一种柱状构件；在接收平台上设置的机械去除结构的横断面的最大直线尺寸优选不低于1mm；
b．在接收平台上打印支架的基底：将在所述步骤a中制备的带有机械去除结构的接收平台固定在生物3D打印机上，先分别配制水凝胶材料和明胶材料，所述水凝胶材料包含壳聚糖和明胶，并且始终保持在设定温度下使明胶材料处于液化状态，再使用生物3D打印机的一个喷头，在所述步骤a中制备的接收平台上打印一圈环状结构的水凝胶材料凸垒，形成支架的基底外缘，水凝胶材料凸垒将机械去除结构围在支架的基底外缘范围内，随后用生物3D打印机的第二个喷头，将保持温度设定温度下的液态明胶灌注到接收平台上的基底外缘范围内，根据用凝胶材料打印的支架的基底外缘的形状和尺寸来计算需要灌注的液态明胶材料的体积，在接收平台上将支架的基底外缘范围内的空间填平，然后等待明胶材料冷却，形成支架基底，机械去除结构穿插设置在支架基底上；
c．打印牺牲材料立体结构：采用牺牲材料，并将生物3D打印环境维持在设定温度下使牺牲材料保持凝胶状，根据需求打印的支架孔道空间立体结构的大小，设定需要分层打印的第一层的牺牲材料的立体结构的形状和厚度，使用生物3D打印机的第三个喷头，继续在所述步骤b中制备的支架基底上打印一体连接的牺牲材料的立体结构，即打印第一层牺牲材料立体结构层，所打印的牺牲材料的结构包括第一层牺牲材料立体结构层局部的圈环结构，所述圈环结构将接收平台带有的机械去除结构包围在其中，使圈环结构的内缘与机械去除结构部分之间形成第一层预留间隙空间，然后用将生物3D打印机的第三个喷头内牺牲材料冷却使其成液态，将液态的牺牲材料灌注在立体结构的局部的圈环结构和机械去除结构部分之间的预留间隙空间，使牺牲材料立体结构和机械去除结构部分接触，然后在所述步骤b中制备的支架基底上继续打印第二圈环状结构的水凝胶材料凸垒，使在支架基底上制备的牺牲材料立体结构被包围在第二圈凝胶材料凸垒的范围内，然后使用生物3D打印机，将保持温度设定温度下的液态明胶灌注到第二圈水凝胶材料凸垒的范围内，使支架基底上的第二圈水凝胶材料凸垒和牺牲材料立体结构之间的间隙和牺牲材料立体结构局部结构之间的间隙全部被第二层液态明胶填平，然后等待明胶材料冷却，即在支架基底上完成包含分层打印的牺牲材料立体结构的第二层支架结构层部分，机械去除结构穿插设置在支架基底和上牺牲材料立体结构部分；牺牲材料优选采用含普朗尼克的材料；
d． 重复所述步骤c的过程，继续在第二层支架结构层部分之上制备下一层支架结构层部分，直至完成整体的牺牲材料立体结构的全部分层打印结构，然后在所制备的最后一层支架结构层部分之上按照与所述步骤b的相同的工艺过程制备另一层支架基底，使两层支架基底之间将整体的牺牲材料立体结构完整地包覆起来，得到包覆牺牲材料立体结构的三维血管化支架体系，最后将三维血管化支架体系置于在牺牲材料液化的温度下，当三维血管化支架体系中的牺牲材料全部形成液体后，将三维血管化支架体系从接收平台上取下，使液态的牺牲材料顺着拔除机械去除结构部分形成的支架管道中流出，待三维血管化支架体系中全部牺牲材料流完之后，将三维血管化支架体系置入交联剂中进行交联反应，最终得到三维血管化支架。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1. 本发明构建了一款内含三维网络结构的血管化支架，结合了生物3D打印技术，在一个支架内形成多尺度通道，使多尺度通道间相互连通，所制备的支架的结构和尺寸具有更好的灵活性；
2.本发明制备的血管化支架的内部血管网络通道呈现立体结构，克服了现有的血管化支架尺度单一的瓶颈，本发明制备的血管化支架能选择机械去除部分的多种尺寸，同时也能选择挤出牺牲材料的喷头直径来控制内部通道尺寸，所以本发明制备的血管化支架至少有两种尺度的通道大小；
3. 本发明制备的血管化支架采用的相互连通的通道结构，让尺度不一的内外通道形成互通；
4. 本发明采用生物3D打印工艺来制备血管化支架，结构和尺寸的灵活度非常大，可以按需打印，根据多种需要实现自动化制造，与传统的血管化支架相比较，本发明制备的血管支架的具有更好的结构多样性和临床适应性。
附图说明
图1是本发明优选实施例制备的接收平台及其机械去除结构的结构示意图。
图2是本发明优选实施例在接收平台上制备支架基底时打印基底外缘的状况示意图。
图3是本发明优选实施例在接收平台上制备的支架基底的结构示意图。
图4是本发明优选实施例在支架基底上打印第一层牺牲材料立体结构示意图。
图5是本发明优选实施例在支架基底上打印第二层牺牲材料立体结构示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
在本实施例中，参见图1~图4，一种制备三维多尺度血管化支架的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a．打印接收平台：先在计算机上用CAD软件进行设计，然后转换成STL文件，通过工业3D打印FDM方法制备接收平台1，打印使用材料为ABS，并在所述接收平台1上直接打印出机械去除结构2，参见图1，打印出来的接收平台1进过后处理之后在接收平台1表面上涂覆一层交联剂，便于最后将最终制备好支架体系从接收平台1上取下；
b．在接收平台上打印支架的基底：将在所述步骤a中制备的带有机械去除结构2的接收平台1固定在生物3D打印机上，先分别配制水凝胶材料和明胶材料，所述水凝胶材料采用质量百分比浓度分别为18%和4%的明胶与壳聚糖配制而成，明胶材料中含明胶的质量百分比浓度为18%，并且始终保持在40℃的温度下使明胶材料处于液化状态，再使用生物3D打印机的一个喷头，在所述步骤a中制备的接收平台1上打印一圈形状闭合的正方形环状结构的水凝胶材料凸垒3，形成支架的基底外缘，参见图2，水凝胶材料凸垒3将机械去除结构2围在支架的基底外缘范围内，随后用生物3D打印机的第二个喷头，将保持40℃温度下的液态明胶4灌注到接收平台1上的基底外缘范围内，根据用凝胶材料打印的支架的基底外缘的形状和尺寸来计算需要灌注的液态明胶4材料的体积，在接收平台1上将支架的基底外缘范围内的空间填平，然后等待明胶材料冷却，形成支架基底，机械去除结构2穿插设置在支架基底上，参见图3；
c．打印牺牲材料立体结构：先配制含普朗尼克的质量百分比浓度为35%的牺牲材料，并将生物3D打印环境维持在室温20℃下使牺牲材料保持凝胶状，根据需求的特别结构形状和厚度打印的支架的垂直交叉立体网状的孔道空间立体结构的大小，设定需要分层打印的第一层的牺牲材料的网状立体结构的形状和厚度，使用生物3D打印机的第三个喷头，继续在所述步骤b中制备的支架基底上打印一体连接的牺牲材料的立体结构，即打印第一层牺牲材料立体结构层5，所打印的牺牲材料的结构包括第一层牺牲材料立体结构层局部的圈环结构，所述圈环结构将接收平台1带有的机械去除结构2包围在其中，使圈环结构的内缘与机械去除结构2部分之间形成预留间隙空间，参见图4，然后用将生物3D打印机的第三个喷头内牺牲材料在0℃下冷却使其成液态，将液态的牺牲材料灌注在立体结构的局部的圈环结构和机械去除结构2部分之间的第一层预留间隙空间6，使牺牲材料立体结构和机械去除结构2部分接触，以便使其在后续过程中牺牲材料流出之后使打印的相邻支架层的孔道空间相互连通，然后在所述步骤b中制备的支架基底上继续打印第二圈环状结构的水凝胶材料凸垒3，使在支架基底上制备的牺牲材料立体结构被包围在第二圈水凝胶材料凸垒3的范围内，然后使用生物3D打印机，将保持40℃温度下的液态明胶4灌注到第二圈水凝胶材料凸垒3的范围内，使支架基底上的第二圈水凝胶材料凸垒3和牺牲材料立体结构之间的间隙和牺牲材料立体结构局部结构之间的间隙全部被第二层液态明胶7填平，然后等待明胶材料冷却，即在支架基底上完成包含分层打印的牺牲材料立体结构的第二层支架结构层部分，机械去除结构2穿插设置在支架基底和上牺牲材料立体结构部分；
d． 重复所述步骤c的过程，继续在第二层支架结构层部分之上制备下一层支架结构层部分，使第三层的立体结构的局部的圈环结构和机械去除结构2部分之间形成第二层预留间隙空间9，即打印第二层牺牲材料立体结构层8，参见图5，并根据需求分层打印的相应的支架结构层数，重复进行所述步骤c的过程的相应次数，直至完成整体的牺牲材料立体结构的全部分层打印结构，然后在所制备的最后一层支架结构层部分之上按照与所述步骤b的相同的工艺过程制备另一层支架基底，使两层支架基底之间将整体的牺牲材料立体结构完整地包覆起来，得到包覆牺牲材料立体结构的三维血管化支架体系，最后将整个三维血管化支架体系置于在牺牲材料液化的0℃温度下的环境中20分钟，当三维血管化支架体系中的牺牲材料全部形成液体后，将整个三维血管化支架体系从接收平台1上取下，使液态的牺牲材料顺着拔除机械去除结构2部分形成的支架管道中流出，待三维血管化支架体系中全部牺牲材料流完之后，形成了支架中的三维立体网络孔道结构，将三维血管化支架体系置入交联剂中进行交联反应，最终得到具有垂直交叉结构的三维立体网络孔道结构的三维血管化支架。
在本实施例中，制备三维多尺度血管化支架的方法包括搭建接收平台、使用生物3D打印机增材制造、利用牺牲材料构建支架内血管网络通道一系列工艺步骤，本实施例根据需求打印立体结构大小打印牺牲材料立体结构。最后通过温度控制使牺牲材料从机械去除通道流出形成支架内网络并与机械去除通道互通，形成三维多尺度血管化支架。本实施例方法结合了增材制造、减材制造和机械去除三种方法构建了一款三维多尺度血管化支架。本实施例把方法包括工业3D打印FDM技术制备接收平台、生物3D打印机在接收平台上打印支架基底、生物3D打印机打印牺牲材料立体结构和包覆牺牲材料立体网络结构做成最终三维血管化支架工艺过程，最后将牺牲材料液化得到通道形成三维网络结构，最终得到三维多尺度血管化支架。本实施例是结合多种工艺一起，并通过生物3D打印这个平台上制备，可以根据需求任意调节其中的尺寸和结构。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明制备三维多尺度血管化支架的方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种制备三维多尺度血管化支架的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a．打印接收平台：通过工业3D打印FDM方法制备接收平台，打印使用材料为ABS，并在所述接收平台上直接打印出机械去除结构，打印出来的接收平台进过后处理之后在接收平台表面上涂覆交联剂；
b．在接收平台上打印支架的基底：将在所述步骤a中制备的带有机械去除结构的接收平台固定在生物3D打印机上，先分别配制水凝胶材料和明胶材料，所述水凝胶材料包含壳聚糖和明胶，并且始终保持在设定温度下使明胶材料处于液化状态，再使用生物3D打印机的一个喷头，在所述步骤a中制备的接收平台上打印一圈环状结构的水凝胶材料凸垒，形成支架的基底外缘，水凝胶材料凸垒将机械去除结构围在支架的基底外缘范围内，随后用生物3D打印机的第二个喷头，将保持温度设定温度下的液态明胶灌注到接收平台上的基底外缘范围内，根据用凝胶材料打印的支架的基底外缘的形状和尺寸来计算需要灌注的液态明胶材料的体积，在接收平台上将支架的基底外缘范围内的空间填平，然后等待明胶材料冷却，形成支架基底，机械去除结构穿插设置在支架基底上；
c．打印牺牲材料立体结构：采用牺牲材料，并将生物3D打印环境维持在设定温度下使牺牲材料保持凝胶状，根据需求打印的支架孔道空间立体结构的大小，设定需要分层打印的第一层的牺牲材料的立体结构的形状和厚度，使用生物3D打印机的第三个喷头，继续在所述步骤b中制备的支架基底上打印一体连接的牺牲材料的立体结构，即打印第一层牺牲材料立体结构层，所打印的牺牲材料的结构包括第一层牺牲材料立体结构层局部的圈环结构，所述圈环结构将接收平台带有的机械去除结构包围在其中，使圈环结构的内缘与机械去除结构部分之间形成第一层预留间隙空间，然后用将生物3D打印机的第三个喷头内牺牲材料冷却使其成液态，将液态的牺牲材料灌注在立体结构的局部的圈环结构和机械去除结构部分之间的预留间隙空间，使牺牲材料立体结构和机械去除结构部分接触，然后在所述步骤b中制备的支架基底上继续打印第二圈环状结构的水凝胶材料凸垒，使在支架基底上制备的牺牲材料立体结构被包围在第二圈水凝胶材料凸垒的范围内，然后使用生物3D打印机，将保持温度设定温度下的液态明胶灌注到第二圈水凝胶材料凸垒的范围内，使支架基底上的第二圈水凝胶材料凸垒和牺牲材料立体结构之间的间隙和牺牲材料立体结构局部结构之间的间隙全部被第二层液态明胶填平，然后等待明胶材料冷却，即在支架基底上完成包含分层打印的牺牲材料立体结构的第二层支架结构层部分，机械去除结构穿插设置在支架基底和上牺牲材料立体结构部分；
d． 重复所述步骤c的过程，继续在第二层支架结构层部分之上制备下一层支架结构层部分，即打印第二层牺牲材料立体结构层，并根据需求分层打印的相应的支架结构层数，重复进行所述步骤c的过程的相应次数，直至完成整体的牺牲材料立体结构的全部分层打印结构，然后在所制备的最后一层支架结构层部分之上按照与所述步骤b的相同的工艺过程制备另一层支架基底，使两层支架基底之间将整体的牺牲材料立体结构完整地包覆起来，得到包覆牺牲材料立体结构的三维血管化支架体系，最后将三维血管化支架体系置于在牺牲材料液化的温度下，当三维血管化支架体系中的牺牲材料全部形成液体后，将三维血管化支架体系从接收平台上取下，使液态的牺牲材料顺着拔除机械去除结构部分形成的支架管道中流出，待三维血管化支架体系中全部牺牲材料流完之后，将三维血管化支架体系置入交联剂中进行交联反应，最终得到三维血管化支架。
2.根据权利要求1所述制备三维多尺度血管化支架的方法，其特征在于：在所述步骤a中，在接收平台上设置的机械去除结构为表面光滑的柱状构件。
3.根据权利要求2所述制备三维多尺度血管化支架的方法，其特征在于：在所述步骤a中，在接收平台上设置的机械去除结构为圆柱状构件、三棱柱状构件、四棱的方柱状构件和多于四棱的柱状构件中的任意一种柱状构件。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述制备三维多尺度血管化支架的方法，其特征在于：在所述步骤a中，在接收平台上设置的机械去除结构的横断面的最大直线尺寸不低于1mm。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述制备三维多尺度血管化支架的方法，其特征在于：在所述步骤c中，牺牲材料采用含普朗尼克的材料。
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