CN105216316B - 一种多尺度通道的复合成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多尺度通道支架的复合成形工艺。它结合了增材制造和减材制造两种方法构建了一款含多尺度通道的支架。本方法包括如下步骤：1）生物3D打印机在接收平台上打印支架基底。2）打印牺牲材料立体结构。3）进行静电纺丝工艺。4）封装、交联和成形通道。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

一种多尺度通道的复合成形工艺

技术领域

本发明涉及一种移植替代物的制备方法，尤其是涉及一种含多尺度通道支架的复合成形工艺，应用于生物制造技术领域。

背景技术

针对现在组织的缺失，例如癌症切除、外伤性损伤等，需要制备一个类组织结构去修补原来的受损组织。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。在国外已经证明了构建通道结构体可以刺激内皮细胞使之内皮化，然后长出血管。所以构建通道结构是现在解决血管化的一个主要手段之一。

随着生物制造技术的飞速发展，生物三维打印已经成为现在主流的生物制造手段之一。通过生物三维打印构建三维贯通通道结构的水凝胶实体来解决血管化问题是被人广为看好的一种手段。在国内通过生物三维打印构建三维多尺度通道结构的研究还是一片空白，所以通过本专利所提到的方法构建三维实体将对血管化的研究向前迈进一大步。

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，提供一种含多尺度通道支架的复合成形工艺，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，开发了增减才工艺结合静电纺丝工艺，通过同时使用这两种工艺方法来制备这款含多尺度通道的支架，满足现阶段生物制造领域的要求，使现在大部分的支架都能实现自动化生产制备，提高了支架的制备效率，保证了支架的制备质量、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：

1.一种含多尺度通道支架的复合成形工艺，其特征在于，包括以下操作步骤：

a．在接收平台上打印支架的基底：首先配置普朗尼克F127材料和明胶材料，然后在生物3D打印机接收平台上使用第一个喷头打印一圈普朗尼克F127材料，重复5-6次形成环状结构，将配置好的明胶加热至液态并保持，再使用生物打印机的第二个喷头把液态明胶灌注入环状结构内使其填平，待明胶固化之后形成支架的基底。

b．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，根据所要求的通道尺寸及形状进行喷头型号的选择及路径规划，使用生物3D打印机的第一个喷头，在所述步骤a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，立体结构长宽在基底以内。按设定路径用第一个喷头打印第一层，然后提升相应高度打印第二层，打印设定层数后停止打印。

c．进行静电纺丝工艺：配置聚己内酯PCL；把PCL材料装入生物打印机第三个料筒然后用第三个喷头对步骤a和步骤b所形成的实体进行静电纺丝工艺，在实体上纺织PCL，纺织一定时间之后停止纺织工艺。

d．封装、交联和成形通道：在步骤a所成形的环状结构上继续使用生物3D打印机的第一喷头进行打印，按步骤a的环状结构轮廓打印，打印高度到达可以封装步骤b中形成的立体结构，打印完成之后使用生物3D打印机的第二喷头把液态明胶灌注入环状结构中使其填平，待其固化之后便完成了封装。然后控制环境温度使支架冷却使其中的牺牲材料普朗尼克F127液化，从事先留出的通道结构中流出，便完成了宏观通道的制备，把支架浸入交联剂中进行交联，交联完成之后浸入二氯甲烷，支架中的PCL纤维溶解，这样就形成了微观尺度上的通道。

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多尺度贯通通道结构的水凝胶实体更好地模仿了体内组织结构，宏观通道尺度可以从0.5mm~5mm不等符合了体内小血管如静脉血管尺寸的大小，围观尺度保持在几微米的范围内，符合毛细血管尺寸的大小。

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还是二维居多的瓶颈，本发明还能选择挤出牺牲材料的喷头直径来控制内部通道尺寸。

3. 本发明所使用的都是生物材料，所以生物相容性相对较好。而且全程都可以使用生物打印机来完成此工艺，自动化程度很高，结构和尺寸灵活度非常大，可以按需打印，本发明具有更好的结构多样性和临床适应性。

4. 本发明由于毛细血管采用的是静电纺丝工艺，较细胞培养这种方式成形毛细血管更具有可控性，而且相对成形周期短了很多。

附图说明

图1是本发明的工艺程序框图。

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一定层数牺牲材料立体结构示意图。

图6是本发明优选实施例在支架上进行静电纺丝的示意图。

图7是本发明优选实施例在支架上预留通道示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1，本多尺度通道支架的复合成形工艺，其特征在于，包括以下步骤：

a．在接收平台上打印支架的基底：首先配置普朗尼克F127材料和明胶材料，然后在生物3D打印机接收平台上使用第一个喷头打印一圈普朗尼克F127材料，重复5-6次形成环状结构，将配置好的明胶加热至液态并保持，再使用生物打印机的第二个喷头把液态明胶灌注入环状结构内使其填平，待明胶固化之后形成支架的基底；

b．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，根据所要求的通道尺寸及形状进行喷头型号的选择及路径规划，使用生物3D打印机的第一个喷头，在所述步骤a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，立体结构长宽在基底以内；按设定路径用第一个喷头打印第一层，然后提升相应高度打印第二层，打印设定层数后停止打印；

c．进行静电纺丝工艺：配置聚己内酯PCL，把PCL材料装入生物打印机第三个料筒然后用第三个喷头对步骤a和步骤b所形成的实体进行静电纺丝工艺，在实体上纺织PCL，纺织设定时间之后停止纺织工艺。

d．封装、交联和形成通道：在步骤a所成形的环状结构上继续使用生物3D打印机的第一喷头进行打印，按步骤a的环状结构轮廓打印，打印高度到达可以封装步骤b中形成的立体结构，打印完成之后使用生物3D打印机的第二喷头把液态明胶灌注入环状结构中使其填平，待其固化之后便完成了封装；然后控制环境温度使支架冷却使其中的牺牲材料普朗尼克F127液化，从事先留出的通道结构中流出，便完成了宏观通道的制备，把支架浸入交联剂中进行交联；交联完成之后浸入二氯甲烷，支架中的PCL纤维溶解，这样就形成了微观尺度上的通道。

实施例二：

在本实施例中，参见图1~图7，本多尺度通道支架的复合成形工艺，其特征在于，包括以下步骤：

a．在接收平台上打印支架的基底：将接收平台1固定在生物3D打印机上，先分别配制牺牲材料和明胶材料，所述牺牲材料采用是质量百分比浓度35%的普朗尼克F127配制而成，并且使之在室温20℃环境下静置一段时间使其凝胶化，明胶材料中含明胶的质量百分比浓度为18%，并且料筒中明胶始终保持在40℃的温度下使之处于液化状态，再使用生物3D打印机的一个喷头，在接收平台1上打印一圈形状闭合的正方形环状结构的牺牲材料2，形成支架的基底外缘，参见图1，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3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3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，参见图2；

b．打印牺牲材料立体结构：先将生物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打印机的第一个喷头，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4，参见图3。

c． 重复所述步骤b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，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5，结构参见图4。

d.静电纺丝：先配置聚己内酯溶液，用二甲基甲酰胺和二氯甲烷溶解，PCL：二甲基甲酰胺：二氯甲烷=1:3:6，配置完之后静置使溶剂挥发，然后用PCL在打印的结构上进行静电纺丝6，参见图5。然后在步骤a所成形的环状结构上继续打印牺牲材料，使之成为一个立体环状结构7，然后使用生物3D打印机的第二个喷头灌注液态明胶，使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和静电纺丝材料的支架体系8，然后将整个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，当支架体系中的牺牲材料全部形成液体后，用预先打印牺牲材料管道9中流出，预留通道参见图7，待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，然后将支架体系置入交联剂中进行交联反应，之后将支架置于二氯甲烷溶液中静置使PCL溶解，最终得到含多尺度通道的支架。

在本实施例中，制备含多尺度通道的支架的方法包括使用生物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预留的通道中流出形成支架内网络并结合牺牲静电纺丝工艺，形成含多尺度通道的支架。本实施例方法结合了增材制造和减材制造二种方法构建了一款含多尺度通道的支架。本实施例把方法包括生物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、静电纺丝工艺及包覆牺牲材料立体网络结构做成最终含多尺度通道支架的复合工艺过程，最后将牺牲材料液化和溶解静电纺丝得到三维多尺度贯通通道结构，最终得到含多尺度通道的支架。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。

Claims (1)

1.一种多尺度通道支架的复合成形工艺，其特征在于，包括以下操作步骤：

a．在接收平台上打印支架的基底：首先配置普朗尼克F127材料和明胶材料，然后在生物3D打印机接收平台上使用第一个喷头打印一圈普朗尼克F127材料，重复5-6次形成环状结构，将配置好的明胶加热至液态并保持，再使用生物打印机的第二个喷头把液态明胶灌注入环状结构内使其填平，待明胶固化之后形成支架的基底；

b．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，根据所要求的通道尺寸及形状进行喷头型号的选择及路径规划，使用生物3D打印机的第一个喷头，在所述步骤a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，立体结构长宽在基底以内；按设定路径用第一个喷头打印第一层，然后提升相应高度打印第二层，打印设定层数后停止打印；

c．进行静电纺丝工艺：配置聚己内酯PCL，把PCL材料装入生物打印机第三个料筒然后用第三个喷头对步骤a和步骤b所形成的实体进行静电纺丝工艺，在实体上纺织PCL，纺织设定时间之后停止纺织工艺；

d．封装、交联和形成通道：在步骤a所成形的环状结构上继续使用生物3D打印机的第一喷头进行打印，按步骤a的环状结构轮廓打印，打印高度到达可以封装步骤b中形成的立体结构，打印完成之后使用生物3D打印机的第二喷头把液态明胶灌注入环状结构中使其填平，待其固化之后便完成了封装；然后控制环境温度使支架冷却使其中的牺牲材料普朗尼克F127液化，从事先留出的通道结构中流出，便完成了宏观通道的制备，把支架浸入交联剂中进行交联；交联完成之后浸入二氯甲烷，支架中的PCL纤维溶解，这样就形成了微观尺度上的通道。