CN105034369A - 三维角膜基质支架材料及三维角膜基质支架的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维角膜基质支架材料及三维角膜基质支架的构建方法，所述材料以100%计，壳聚糖1-5%、胶原5-15%、聚乙烯醇5-15%，余量的水。方法包括（1）建立三维角膜基质支架的计算机实体模型，切片分层，形成打印文件；（2）配置三维角膜基质支架材料；（3）将配制好的支架材料溶液加入到3D生物打印机的料筒中，开始打印工作，逐层堆积成型，直到所打印的支架成型完成；（4）将打印成型的支架冻干交联，清洗消毒，得到角膜基质支架。本发明制备出多孔角膜基质支架生物相容性好，制备过程简单且精确可控，适于规模化生产，为构建角膜基质三维支架的研究开辟了道路，具有重要的科学意义。

Description

三维角膜基质支架材料及三维角膜基质支架的构建方法

技术领域

本发明属于医疗器械中植入材料和人工器官技术领域，尤其涉及一种三维角膜基质支架材料及采用三维生物打印机构建三维角膜基质支架的方法。

背景技术

3D打印技术是一项基于喷射型的快速成型技术，它首先借助计算机辅助设计（CAD）技术制备所打印物体的STL电子文档模型，然后依据“逐层打印，层层叠加”的原理来打印具有特殊外形或复杂内部结构的物体。其成型过程不受任何几何形状的限制，打印位置、打印次数和打印速度都可以随意控制，不同的材料可以通过不同喷头打印，打印的物质可以是溶液、悬浮液或乳液，因此，3D打印可以很容易控制局部材料组成、微观结构以及表面特性。

人角膜基质层占角膜厚度的90％，主要由角膜基质细胞和胶原纤维等细胞外基质成分规则排列而成，透明且具有一定的曲率半径，有利于光线通过和折曲，在维持整个角膜的透明度和曲光率等方面具有至关重要的作用。绝大多数角膜基质病盲患者均可以通过角膜移植手术来治愈，但由于捐献角膜的高度匮乏致使绝大部分患者得不到供体角膜而无法复明。近年来，三维打印技术在制备组织工程用三维支架方面得到了快速发展和应用，通过控制打印平台冷冻温度，在较短时间内使材料分子冷冻成型，尤其是对于一些容易变性的天然生物材料，能使不易成型的天然生物材料液体快速冷冻成型且能够保留其在溶液中的构象以及生物活性，该技术使构建与天然角膜结构类似的角膜基质支架的体外重建及其临床应用成为可能，也为角膜基质病盲患者重见光明创造了条件。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，旨在提供一种生物相容性好、力学性能高的三维角膜基质支架材料。本发明的另一个目的在于提供一种简单易于生产化的角膜基质支架的制备方法。

一种三维角膜基质支架材料，其组分及重量百分比为：以100%计，壳聚糖1-5%、胶原5-15%、聚乙烯醇5-15%，余量的水。

一种采用生物打印系统构建三维角膜基质支架的方法，包括如下步骤：

（1）建立三维角膜基质支架的计算机实体模型，对其进行切片分层，得到每层的形状信息，形成打印文件，每层的厚度是80-120μm；

（2）按配比称取上述三维角膜基质支架材料，依次溶解于水中形成溶液，充分搅拌使各组分混合均匀；

（3）将配制好的支架材料溶液加入到3D生物打印机的料筒中，将步骤（1）中的打印文件输入到3D生物打印机的配套软件中，指导3D生物打印机工作；通过制冷装置将打印机平台温度控制在0℃以下，打印喷头在打印平台上首先在xy轴方向上移动，形成支架的二维平面，打印完一层后，打印喷头沿z轴方向上移，重新打印另一层，如此反复，逐层堆积成型，直到所打印的支架成型完成；

（4）将打印成型的支架使用交联剂进行冻干交联，然后清洗消毒，得到角膜基质支架。

进一步的，所述步骤（1）中实体模型来源于不同年龄段人体眼球参数数据库，或患者眼球的CT、UBM三维扫描参数。

进一步的，所述步骤（2）中三维角膜基质支架材料由壳聚糖3%、胶原10%、聚乙烯醇8%，水79%组成，均为重量百分数。

进一步的，所述步骤（3）中打印平台的温度为-20℃到-40℃。

进一步的，所述步骤（3）中打印喷头直径为50-100μm。

进一步的，所述步骤（3）中打印机喷头在xy轴方向上的移动速度为1-50mm/s。

进一步的，所述步骤（4）中冻干温度为-40到-60℃。

进一步的，所述步骤（4）中交联剂为戊二醛、碳二亚胺、京尼平、原花青素的一种或几种。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明采用低温冷冻成型技术，使难成型的天然生物材料可用于生物打印，扩大了可用材料的范围，且由于无需加入成型辅料，增加了材料的安全性和可降解性。（2）本发明可根据不同年龄段眼球参数，或患者CT、UBM三维扫描参数实现外形仿真的个体定制，方法简单，易于操作，可以精确控制支架的形态和相应参数。

（3）本发明能根据患者实际情况的不同需要，调整打印参数，结合三维打印和冷冻成型技术的优势，能直接将溶液状的天然生物材料制备成具有仿真板层结构的角膜基质支架，从而实现个性化定制。

附图说明

图1.本发明所述步骤（1）中的打印文件；

图2.本发明制备的三维角膜基质支架外观表征图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

本发明公开了一种三维角膜基质支架材料，其组分及重量百分比为：以100%计，壳聚糖1-5%、胶原5-15%、聚乙烯醇5-15%，余量的水。

胶原是动物体内含量最丰富的蛋白质，也是细胞外基质的重要成分，具有很好的仿生性，具有免疫原性低、组织相容性及亲和性好、能促进细胞增殖等优点。壳聚糖作为一种天然生物材料，具有良好的生物相容性及引导细胞爬行的能力，亲水性较好，促进伤口愈合和吸收效应，然而其机械性能和溶解性能差，且细胞粘附性低，这些都限制了它的应用。胶原、壳聚糖复合能够模拟细胞外基质环境促进细胞黏附增殖。聚乙烯醇作为生物材料具有优良的生物相容性，柔韧性好，抗张强度较高，有适当的吸湿性和透湿性，由聚乙烯醇制备的水凝胶在眼科方面的用途十分广泛，本发明将壳聚糖、胶原与聚乙烯醇配合使用，可显著提高支架的生物力学性能，有利于细胞黏附增殖，最终可降解吸收，属于生物型的人工角膜替代物，且打印体系中不含光引发剂，生物相容性更好。

本发明使用三维生物打印系统，采用上述支架材料，构建三维角膜基质支架的过程包括如下步骤：

（1）根据患者眼球参数建立三维角膜基质支架的计算机实体模型，对其进行切片分层，得到每层的形状信息，形成CT格式或MRI扫描格式的打印文件，每层的厚度是80-120μm，如图1所示；本发明对三维角膜基质支架的计算机实体模型进行分层处理，内部结构层状有序，与天然角膜基质层的板层结构类似，精度高，使得支架成型后无需二次打磨处理。

（2）按配比称取三维角膜基质支架材料，依次溶解于水中形成溶液，充分搅拌使各组分混合均匀。

（3）将配制好的支架材料溶液加入到3D生物打印机的料筒中，将步骤（1）中的打印文件输入到3D生物打印机的配套软件中，指导3D生物打印机工作；将打印机平台温度控制在0℃以下，本发明优选的打印平台的温度为-20到-40℃；打印喷头在打印平台上首先在xy轴方向上移动，移动速度为1-50mm/s；形成支架的二维平面，打印完一层后，打印喷头沿z轴方向上移，重新打印另一层，如此反复，逐层堆积成型，直到所打印的支架成型完成；本发明设置打印喷头直径为50-100μm；本发明所述3D生物打印机的打印平台带有制冷装置，用于将打印机平台温度控制在0℃以下，可高效便捷的制备需要低温成型的支架材料。

（4）将打印成型的支架使用交联剂进行冻干交联，然后清洗消毒，得到角膜基质支架；冻干温度为-40到-60℃，所述交联剂为戊二醛、碳二亚胺、京尼平、原花青素的一种或几种。

本发明制得的角膜基质支架如图2所示，支架孔径为50-100μm，厚度约为0.3mm，直径10mm，具有一定弧度，内部结构层状有序，与天然角膜基质层的板层结构类似，且具有良好的生物活性和生物相容性。

实施例1

本实施例中使用三维生物打印系统构建三维角膜基质支架的过程包括如下步骤：

（1）根据患者眼球参数建立三维角膜基质支架的计算机实体模型，对其进行切片分层，得到每层的形状信息，形成CT格式或MRI扫描格式的打印文件，每层的厚度为100μm，

（2）按配比称取重量百分比的壳聚糖3%、胶原10%、聚乙烯醇8%，依次溶解于水79%中形成溶液，充分搅拌使各组分混合均匀；

（3）将配制好的支架材料溶液加入到3D生物打印机的料筒中，将步骤（1）中的打印文件输入到3D生物打印机的配套软件中，指导3D生物打印机工作；打印机平台温度为-20到-40℃，打印喷头直径为70-80μm；打印喷头在打印平台上首先以20-30mm/s的移动速度在xy轴方向上移动形成支架的二维平面，然后沿z轴方向上移，重新打印另一层，如此反复，逐层堆积成型，直到所打印的支架成型完成；

（4）将打印成型的支架使用交联剂碳二亚胺进行冻干交联，冻干温度为-50℃，然后清洗消毒，得到角膜基质支架。

本发明制得的角膜基质支架如图2所示，支架孔径约为50μm，厚度约为0.3mm，直径10mm，具有一定弧度，内部结构层状有序，与天然角膜基质层的板层结构类似，拉伸强度为2.5MPa，与天然角膜（3.8MPa）相似，且具有良好的生物相容性（细胞毒性试验结果为0级，细胞黏附率为70%）。

实施例，仅用于说明本发明而不是用于限制本发明的应用范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种三维角膜基质支架材料，其特征在于，其组分及重量百分比为：以100%计，壳聚糖1-5%、胶原5-15%、聚乙烯醇5-15%，余量的水。

2.一种采用生物打印系统构建三维角膜基质支架的方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立三维角膜基质支架的计算机实体模型，对其进行切片分层，得到每层的形状信息，形成打印文件，每层的厚度是80-120μm；

（2）按配比称取上述三维角膜基质支架材料，依次溶解于水中形成溶液，充分搅拌使各组分混合均匀；

（3）将配制好的支架材料溶液加入到3D生物打印机的料筒中，将步骤（1）中的打印文件输入到3D生物打印机的配套软件中，指导3D生物打印机工作；通过制冷装置将打印机平台温度控制在0℃以下，打印喷头在打印平台上首先在xy轴方向上移动，形成支架的二维平面，打印完一层后，打印喷头沿z轴方向上移，重新打印另一层，如此反复，逐层堆积成型，直到所打印的支架成型完成；

（4）将打印成型的支架使用交联剂进行冻干交联，然后清洗消毒，得到角膜基质支架。

3.根据权利要求2所述的一种采用生物打印系统构建三维角膜基质支架的方法，其特征在于，所述步骤（1）中实体模型来源于不同年龄段人体眼球参数数据库，或患者眼球的CT、UBM三维扫描参数。

4.根据权利要求2所述的一种采用生物打印系统构建三维角膜基质支架的方法，其特征在于，所述步骤（2）中三维角膜基质支架材料由壳聚糖3%、胶原10%、聚乙烯醇8%，水79%组成，均为重量百分数。

5.根据权利要求2所述的一种采用生物打印系统构建三维角膜基质支架的方法，其特征在于，所述步骤（3）中打印平台的温度为-20℃到-40℃。

6.根据权利要求2所述的一种采用生物打印系统构建三维角膜基质支架的方法，其特征在于，所述步骤（3）中打印喷头直径为50-100μm。

7.根据权利要求2所述的一种采用生物打印系统构建三维角膜基质支架的方法，其特征在于，所述步骤（3）中打印机喷头在xy轴方向上的移动速度为1-50mm/s。

8.根据权利要求2所述的一种采用生物打印系统构建三维角膜基质支架的方法，其特征在于，所述步骤（4）中冻干温度为-40到-60℃。

9.根据权利要求2所述的一种采用生物打印系统构建三维角膜基质支架的方法，其特征在于，所述步骤（4）中交联剂为戊二醛、碳二亚胺、京尼平、原花青素的一种或几种。