CN105617465A - 一种基于3d打印的生物支架制作方法及生物支架 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于3D打印的生物支架制作方法及生物支架，其通过对不同细胞组织进行观察分析，并采用水溶性材料制作出可支撑细胞支架的三维结构，再采用生物可降解材料将三维结构的内部孔隙全部填满后放置在水溶液中将水溶性材料溶解去除，从而获得由生物可降解材料所组成的生物支架。本发明所制作的生物支架内部微孔孔径多样不一，有利于细胞的生长，并且所述基于3D打印的生物支架制作方法简单快速，能满足制作需求。

Description

一种基于3D打印的生物支架制作方法及生物支架

技术领域

本发明涉及3D制作生物支架领域，尤其涉及一种基于3D打印的生物支架制作方法及生物支架。

背景技术

组织工程的关键技术之一在于：通过具有良好生物相容性和生物降解吸收性能的生物材料来制备成具有特定形状和相连孔结构的多维多孔细胞支架（细胞外基质替代物）。组织工程多孔支架的孔形态主要有纤维、多孔海绵/泡沫等多种，相应地，其致孔方法和技术也各不相同。纤维支架是组织工程研究中最早采用的细胞外基质替代物之一，主要由PGA或其共聚物等结晶性聚合物纤维构成，纤维支架的不足之处在于孔隙率和孔尺寸不易控制，亦不易独立调节；传统的多孔泡沫/海绵支架的致孔方法主要有粒子致孔法、热诱导相分离法、气体发泡法和烧结微球法等，传统制备方法优势在于制备形状复杂的微观孔隙结构，并且孔隙率较高，但外形由手工操作实现，可控性不强，无法准确控制微孔或微管道的分布、空间走向、和相互连通性等结构特性。

以骨植入体为例，3D打印制备多孔金属对组织工程骨的发展有重要意义，减少了因自体骨移植对患者身体造成的损伤，同时降低了异体骨移植高昂的费用。而现今市面上的多孔金属合金骨修复植入物多为微孔单一，单一均匀结构重复，多数是固定大小的孔径与单一孔道联通结构，而这与人体骨组织骨小梁结构不相符，且目前对组织结构的设计并不够重视，没有充分利用3D打印精确设计内部结构的优势，单一重复的结构不利于细胞生长，并且现有3D设备无法直接打印带微孔的组织结构。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于3D打印的生物支架制作方法及生物支架，旨在解决现有技术所制作的生物支架多为微孔单一、结构重复且孔径大小一致，不利于细胞生长的问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于3D打印的生物支架制作方法，其中，包括以下步骤：

A、根据不同细胞的生长需求，在预先设定的人体数字库中选择细胞支架的孔隙率、线径、形状以及支架表面积，建立具有孔隙的三维模型，并进行保存；

B、将三维模型导入到与3D生物打印机相连的计算机控制系统中，并采用水溶性材料进行3D打印，获得具有孔隙的三维结构；

C、采用生物可降解材料将三维结构中的孔隙全部填满，并静置至生物可降解材料固化后，将其放入水溶液中使水溶性材料溶解，获得具有组织结构的生物支架。

所述基于3D打印的生物支架制作方法，其中，所述步骤A中，所述人体数字库指的是通过CT或核磁共振采集多组人体器官组织医学影像数据所构建的解剖学数据库，其包括生物支架的孔隙率、线径、形状以及支架表面积。

所述基于3D打印的生物支架制作方法，其中，所述步骤B中，所述水溶性材料包括水溶性树脂和水溶性聚合物中的任一种。

所述基于3D打印的生物支架制作方法，其中，所述步骤C中，所述生物可降解材料包括聚乳酸和聚乙丙交脂中的任一种。

所述基于3D打印的生物支架制作方法，其中，所述步骤A具体包括：

A1、对细胞进行观察分析，并参照预先设定的人体数字库中三维结构数据及特征，选择细胞支架的孔隙率、线径、形状以及支架表面积，建立具有孔隙的三维模型；

A2、对三维模型进行优化设计，根据不同细胞的生长需求，调节细胞支架的孔隙率和线径，并将优化后的三维模型以stl或stp格式进行保存。

所述基于3D打印的生物支架制作方法，其中，所述步骤C具体包括：

C1、采用生物可降解材料并通过针管注射或直接灌注的方式，将三维结构中的孔隙全部填满，并静置至生物可降解材料固化；

C2、将固化后的三维结构放入水溶液中，使水溶性材料溶解，显示出生物可降解材料所填充的结构形状，并在常温下晾干，获得具有组织结构的生物支架。

一种生物支架，其中，由上述任一项所述基于3D打印的生物支架制作方法所制作而成。

有益效果：本发明提供一种基于3D打印的生物支架制作方法及生物支架，其通过对不同细胞组织进行观察分析，并采用水溶性材料制作出可支撑细胞支架的三维结构，再采用生物可降解材料将三维结构的内部孔隙全部填满后放置在水溶液中将水溶性材料溶解去除，从而获得由生物可降解材料所组成的生物支架。本发明所制作的生物支架内部微孔孔径多样不一，有利于细胞的生长，并且所述基于3D打印的生物支架制作方法简单快速，能满足制作需求。

附图说明

图1为本发明一种基于3D打印的生物支架制作方法的流程图。

图2为本发明实施例中三维结构的结构示意图。

图3为本发明实施例中填充有生物可降解材料的三维结构的结构示意图。

图4为本发明实施例中生物支架的结构示意图。

图5为图4中生物支架的实物图。

具体实施方式

本发明提供一种基于3D打印的生物支架制作方法及系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供一种基于3D打印的生物支架制作方法，其包括以下步骤：

S100、根据不同细胞的生长需求，在预先设定的人体数字库中选择细胞支架的孔隙率、线径、形状以及支架表面积，建立具有孔隙的三维模型，并进行保存；

S200、将三维模型导入到与3D生物打印机相连的计算机控制系统中，并采用水溶性材料进行3D打印，获得具有孔隙的三维结构；

S300、采用生物可降解材料将三维结构中的孔隙全部填满，并静置至生物可降解材料固化后，将其放入水溶液中使水溶性材料溶解，获得具有组织结构的生物支架。

在本发明实施例中，通过对不同细胞组织进行观察分析，并采用水溶性材料制作出可支撑细胞支架的三维结构，并用生物可降解材料将三维结构的内部孔隙全部填满后，放置在水溶液中将水溶性材料溶解去除，从而获得由生物可降解材料所组成的生物支架。本发明制作方法简单易实现，且所制作的生物支架具有良好的支撑性能，且有益于细胞生长。

较佳实施例中，本发明所述步骤S100中，所述人体数字库指的是通过CT或核磁共振采集多组人体器官组织医学影像数据所构建的解剖学数据库，其包括生物支架的孔隙率、线径、形状以及支架表面积。本发明实施例中以骨植入体为例，当需要制作骨植入体的生物支架时，则需在人体数字库中找到有关骨细胞组织的参数信息，比如骨含量和骨密度等，再进行调整制作，当然，如果是为了制作其它生物支架如器官组织的生物支架，则相应在器官数据库中找到其有关参数信息。在步骤S100中，可以根据人体数字库中组织的三维结构数据及特征，对其内部的微结构进行规划，选择细胞支架所合适的孔隙率、线径（即所制作出来的结构的孔径）、形状（可以是球形、圆柱形等立体结构）以及支架表面积等结构特征；不同细胞适合生长的生物支架的线径不同，一般骨细胞适合生长的线径为几百个微米，根据不同细胞生长孔径进行设置线径、孔隙率，其中孔隙率可达95%。

进一步地，所述步骤S100具体包括：A1、对细胞进行观察分析，并参照预先设定的人体数字库中三维结构数据及特征，选择细胞支架的孔隙率、线径、形状以及支架表面积，建立具有孔隙的三维模型；A2、对三维模型进行优化设计，根据不同细胞的生长需求，调节细胞支架的孔隙率和线径，并将优化后的三维模型以stl或stp格式进行保存。

而在步骤S200中，主要是将步骤S100中所建立的三维模型进行3D打印，获得一个实体的三维结构，结构请参见图2。并且所述三维结构是采用水溶性材料所打印而成的，因为最终要获得的生物支架是填充在三维结构孔隙中的结构，因此在最后一步还需要将三维结构溶解去除，采用水溶性材料可以保证在无毒无害的基础上将三维结构去除，获得最终的生物支架。优选地，所述水溶性材料包括水溶性树脂和水溶性聚合物中的任一种；例如，可以为水性聚丙烯酸树脂、聚乙烯醇或聚乙二醇等。

在步骤S300中，如图3所示，先采用生物可降解材料将三维结构中的孔隙全部填满，生物可降解材料可以在人体内自动降解，并不会对人体产生排斥或其它危害，等其固化后，再放入水溶液中将水溶性材料溶解掉，获得最终的由生物可降解材料所组成的生物支架，结构请参见图4或图5。所述步骤S300中，所述生物可降解材料包括聚乳酸（PLA）和聚乙丙交脂（PLGA）中的任一种。

进一步地，所述步骤S300具体包括：C1、采用生物可降解材料并通过针管注射或直接灌注的方式，将三维结构中的孔隙全部填满，并静置至生物可降解材料固化；C2、将固化后的三维结构放入水溶液中，使水溶性材料溶解，显示出生物可降解材料所填充的结构形状，并在常温下晾干，获得具有组织结构的生物支架。

需要说明的是，本发明并不限于上述技术方案，任何基于本发明思路所做的变形方案均属本发明保护范围。例如，还可以将三维结构在CAD软件中设计好，根据结构外形轮廓创建出实体，使用3DMax和布尔运算将实体去除结构，将去除后的模型用生物可降解材料进行3D，同样可以获得本发明所述的生物支架。本发明所述制作方法可应用于骨支架、器官组织等组织工程支架的制作。

另外，本发明还提供一种生物支架，其由上述基于3D打印的生物支架制作方法所制作而成。通过本发明所述制作方法所获得的生物支架，其具有如下优点：1.孔相连性好，孔尺寸易调控，线径、孔隙率可调控，孔隙率可达95%；2.满足生理结构，解剖结构，运动力学，生物力学；3.结构满足生物流体力学；4.工艺简单，制作方便，制作周期短；5.避免高温，有利于生物活性分子的引入与控制释放。

综上所述，本发明提供一种基于3D打印的生物支架制作方法及生物支架，其通过对不同细胞组织进行观察分析，并采用水溶性材料制作出可支撑细胞支架的三维结构，再采用生物可降解材料将三维结构的内部孔隙全部填满后放置在水溶液中将水溶性材料溶解去除，从而获得由生物可降解材料所组成的生物支架。本发明所制作的生物支架内部微孔孔径多样不一，有利于细胞的生长，并且所述基于3D打印的生物支架制作方法简单快速，能满足制作需求。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于3D打印的生物支架制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、根据不同细胞的生长需求，在预先设定的人体数字库中选择细胞支架的孔隙率、线径、形状以及支架表面积，建立具有孔隙的三维模型，并进行保存；

B、将三维模型导入到与3D生物打印机相连的计算机控制系统中，并采用水溶性材料进行3D打印，获得具有孔隙的三维结构；

C、采用生物可降解材料将三维结构中的孔隙全部填满，并静置至生物可降解材料固化后，将其放入水溶液中使水溶性材料溶解，获得具有组织结构的生物支架。

2.根据权利要求1所述基于3D打印的生物支架制作方法，其特征在于，所述步骤A中，所述人体数字库指的是通过CT或核磁共振采集多组人体器官组织医学影像数据所构建的解剖学数据库，其包括生物支架的孔隙率、线径、形状以及支架表面积。

3.根据权利要求1所述基于3D打印的生物支架制作方法，其特征在于，所述步骤B中，所述水溶性材料包括水溶性树脂和水溶性聚合物中的任一种。

4.根据权利要求1所述基于3D打印的生物支架制作方法，其特征在于，所述步骤C中，所述生物可降解材料包括聚乳酸和聚乙丙交脂中的任一种。

5.根据权利要求1所述基于3D打印的生物支架制作方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：

A1、对细胞进行观察分析，并参照预先设定的人体数字库中三维结构数据及特征，选择细胞支架的孔隙率、线径、形状以及支架表面积，建立具有孔隙的三维模型；

A2、对三维模型进行优化设计，根据不同细胞的生长需求，调节细胞支架的孔隙率和线径，并将优化后的三维模型以stl或stp格式进行保存。

6.根据权利要求1所述基于3D打印的生物支架制作方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：

C1、采用生物可降解材料并通过针管注射或直接灌注的方式，将三维结构中的孔隙全部填满，并静置至生物可降解材料固化；

C2、将固化后的三维结构放入水溶液中，使水溶性材料溶解，显示出生物可降解材料所填充的结构形状，并在常温下晾干，获得具有组织结构的生物支架。

7.一种生物支架，其特征在于，由上述权利要求1-6任一项所述基于3D打印的生物支架制作方法所制作而成。