CN105664262A - 滚筒式收集制备三维贯通类血管结构网络支架的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了滚筒式收集制备三维贯通类血管结构网络支架的方法。该方法在热熔挤出水溶性材料的基础上，采用滚筒收集的方式来形成预制的三维实体网络，再用水凝胶材料进行包埋，成型完毕后放入水中，去除三维实体网络，在水凝胶内部形成三维贯通的类血管结构网络。本发明打破了传统的层与层之间连接的三维思路，利用圆柱形滚筒的特点，在圆柱面上接收水溶性材料构建出挤出后本身就具有三维结构的实体网络。

Description

滚筒式收集制备三维贯通类血管结构网络支架的方法
技术领域
本发明涉及一种滚筒式收集制备三维贯通类血管结构网络支架的构建方法，属于组织工程支架的制备领域。
背景技术
骨缺损一直是人类面临的主要健康问题之一，随着组织工程技术的发展，针对骨组织修复的不同类型骨组织支架不断涌现。但骨组织结构复杂，在构建功能性骨组织支架方面还存在很大的问题，其中最重要的课题就是解决组织工程支架缺血坏死的问题。
近年来，以3D打印技术为核心的生物制造，为快速直接地构建生命结构体的宏观几何形状提供了技术基础。骨组织血管化对于组织内细胞的营养供给、气体交换、代谢物排出、生长因子传递有着极其重要的意义。目前在组织工程与临床医学领域主要是通过认为构建含有微通道的预制血管化网络来促进组织内血管生长、物质的传输。这其中就有采用增材制造的方法，通过单根中空水凝胶纤维的挤出来搭接具有一定层高的贯通支架。但是中空纤维的挤出是连续的，虽然纤维一直是贯通的，但是支架层与层之间还没能形成上下贯通的结构。另外还有采用牺牲材料预先搭接血管结构网络，再用具有生物相容性的材料进行包埋也是广泛采用的方法之一，根据外界温度、介质等环境条件的改变来去除预先搭接的结构网络，这样就形成了含有贯通结构网络的血管化支架。但是不管是哪种方法还没能彻底解决三维网络的构建，目前主要停留在二维片层贯通网络的构建。
针对此问题，为了构建出三维贯通的类血管结构网络，本发明在热熔挤出水溶性材料的基础上，采用滚筒收集的方式来形成预制的三维实体网络，再用水凝胶材料进行包埋，成型完毕后放入液体中，去除三维实体网络，在水凝胶内部形成三维贯通的类血管结构网络。本发明打破了传统的层与层之间连接的三维思路，利用圆柱形滚筒的特点，在圆柱面上接收水溶性材料构建出沉积后本身就具有三维结构的实体网络。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种滚筒式收集制备三维贯通类血管结构网络支架的方法，定位于组织工程血管化问题的解决，实现人工组织内部营养物质的运输和代谢物的排除，减小人工组织在体内出现坏死的现象。
为了实现上述目的，本发明的构思如下：
设计出一套独特的材料挤出和收集装置，以创建三维实体网络。该组件包括：水溶性PVA（聚乙烯醇）丝材（1-1）、齿轮（1-2）、滚轮（1-3）、加热模块（1-4）、挤出喷头（1-5）、收集滚筒（1-6），以及接收的三维实体结构（1-7），如图1。其特征在于：水溶性材料PVA通过齿轮向下供给；PVA经过加热模块的高温加热后通过喷头挤出；收集滚筒具有三个自由度，左右的移动和旋转，以便在滚筒表面不同位置沉积热熔挤出的PVA；滚筒可根据不同需求设计成不同形状，如图2和图3所示。
具有三维贯通类血管结构网络的构建，其制备原理如图1和图4：PVA丝材经过喷头加热后，通过一定直径的喷头挤出到旋转运动的滚筒上（如图1），沉积成所需的三维结构（如图2-3），从滚筒上取下三维实体结构，放置到容器中并灌注水凝胶材料（如图4），待常温静置一段时间后，从容器中取出水凝胶块，对其进行剪切，露出三维实体的头部和尾部，然后放入盛有液体的容器中溶解被水凝胶包裹的三维PVA实体，待其完全溶解后即可得到4-4（带有三维贯通结构的类血管结构网络）。
滚筒式收集制备三维贯通类血管结构网络的方法，其特征在于打破层与层之间连接三维贯通的传统概念，利用圆柱形滚筒表面所有径向线都不在一个平面上的特点，制备出本身就具有三维结构的实体网络，如图2和图3，分别是圆柱形滚筒和阶梯状圆柱形滚筒收集。首先，利用材料高温熔化的特点，熔融挤出沉积在收集滚筒上；三维实体网络制得后，将其静置在含有一定浓度的水凝胶中，待其冷凝成型后，利用PVA丝材水溶性的特点，将其静置在水中，溶解掉包埋在水凝胶中的三维实体，获得含有三维贯通类血管结构的水凝胶支架。
基于以上材料挤出和后处理方法以及特殊的材料沉积收集方法，并使之与3D打印技术集成，改变3D打印原有的平板接收装置，从而实现含有三维贯通类血管结构的组织工程支架的制备。
按照上述发明构思，本发明采用下述技术方案：一种滚筒式收集制备三维贯通类血管结构网络支架的方法，其特征在于：如图1，三维实体网络制备系统由齿轮（1-2）和滚轮（1-3）提供所需材料推动力；采用加热模块（1-4）和挤出喷头（1-5）作为供料模块；采用含有不同结构的圆柱形滚筒作为收集装置，如图2和图3；利用丝材PVA的水溶性特点，待其成型完毕后将其牺牲掉；制备工艺流程如图1和图4：
1）材料和原液制备：三维实体网络材料选用无毒的水溶性丝材；水凝胶通过热水浴的方法将其溶解；
2）材料挤出：材料挤出，将加热喷头加热到设定温度，将推送到此模块的丝材进行溶解，并由尖嘴喷头处挤出；
3）三维实体网络结构制备：采用具有圆柱形滚筒进行接收，接收滚筒具有三个自由度，轴向的双向移动和旋转，以便在其上接收到不同结构的三维实体网络结构。尖嘴喷头处挤出的丝材沉积到圆柱形滚筒上，形成了本身就具有三维结构的实体网络；
4）三维贯通类血管结构网络的制备：将沉积后的三维实体结构（4-1）静置在具有设定浓度的水凝胶（4-2）中；室温静置后，待其凝胶化后取出；对其进行适当的修剪，露出三维实体结构的头部和尾部，以便对其进行处理；然后将其放入液体中进行溶解；三维实体结构溶解完毕后，即可获得三维贯通结构网络的水凝胶支架；
5）组织工程支架细胞培养：将制备好的含有三维贯通结构网络的水凝胶支架含有细胞的培养液中进行动态培养。
三维实体结构的制备，采用无毒的水溶性丝材PVA熔融沉积到含有不同结构的圆柱形滚筒上，打破传统的基于3D打印的层与层之间连接的三维贯通思维，使沉积后的实体结构本身就具有三维结构。因此，为了更为广泛的制备不同三维贯通结构的实体网络，分别采用直径不变的圆柱形滚筒和阶梯状圆柱形滚筒来沉积熔融后的PVA，如图2和图3。两种滚筒均为一体化结构，材料为铝合金，直接采用车床进行加工：直径不变的圆柱形滚筒直径为20mm，接收部分长度为50-100mm，两端连接轴承的支撑轴直径为3mm，两边长度均为10mm；阶梯状圆柱形滚筒接收部分的直径分别为20mm，15mm和10mm，三部分长度均为20mm，两端连接轴承的支撑轴直径为3mm，两边长度均为10mm。热熔型喷头直径为0.2-0.5mm。
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）水溶性丝材PVA处理简单，只需采用水对其溶解，简单快速，且PVA本身无毒，对组织工程支架接种细胞不会有影响；
（2）圆柱形滚筒收集热熔挤出的PVA，使得到的实体结构本身就具有三维结构，与传统的3D打印相比，无需采用软件构建出整个三维实体结构的支撑，只需要规划好路径；
（3）该方法具备多目标、多尺度、工艺简单、以及效率高等优点。
本发明是在已有的3D打印基础上，结合热熔挤出，将3D打印的接收平板装置改为滚筒接收，在滚筒上沉积出三维实体结构，采用水凝胶对三维实体结构进行包埋，待其成型后将实体结构溶解掉，形成含有三维贯通类血管结构网络的水凝胶支架，对其进行细胞动态培养，细胞粘附在贯通网络表面，形成组织工程支架。含有三维贯通类血管结构网络的组织工程支架不仅实现了类血管结构对于代谢功能的支持，而其较少的材料体积也减少了代谢和降解产物对细胞生存环境的负面影响。本技术发明可促进生物制造向集成化、功能化方向的发展，提高生命组织结构体的植入成活率。
附图说明
图1为水溶性PVA丝材挤出原理图。
图2为在圆柱形滚筒表面沉积三维实体结构。
图3为在阶梯型圆柱形滚筒表面沉积三维实体结构。
图4为含有三维贯通类血管结构网络的水凝胶支架的制备。
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~图4，本滚筒式收集制备三维贯通结构网络支架的方法：如图1，三维实体网络制备系统由齿轮（1-2）和滚轮（1-3）提供所需材料推动力；采用加热模块（1-4）和挤出喷头（1-5）作为供料模块；采用圆柱形滚筒作为收集装置，如图2和图3；利用丝材PVA的水溶性特点，待其成型完毕后将其牺牲掉；制备工艺流程如下：
1）材料和原液制备：三维实体网络材料选用无毒的水溶性丝材；水凝胶通过热水浴的方法将其溶解；
2）材料挤出：材料挤出，将加热喷头加热到设定温度，将推送到此模块的丝材进行溶解，并由尖嘴喷头处挤出；
3）三维实体网络结构制备：采用具有圆柱形滚筒进行接收，接收滚筒具有三个自由度，轴向的双向移动和旋转，以便在其上接收到不同结构的三维实体网络结构。尖嘴喷头处挤出的丝材沉积到圆柱形，形成了本身就具有三维结构的实体网络；
4）三维贯通类血管结构网络的制备：将沉积后的三维实体结构（4-1）静置在具有设定浓度的水凝胶（4-2）中；室温静置后，待其凝胶化后取出；对其进行适当的修剪，露出三维实体结构的头部和尾部，以便对其进行处理；然后将其放入液体中进行溶解；三维实体结构溶解完毕后，即可获得三维贯通结构网络的水凝胶支架；
5）组织工程支架细胞培养：将制备好的含有三维贯通结构网络的水凝胶支架含有细胞的培养液中进行动态培养。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述步骤1）材料和原液制备：三维实体网络材料选用无毒的水溶性丝材聚乙烯醇PVA；水凝胶采用明胶gelatin，通过热水浴的方法将其溶解，由于此特点，若将此支架移植到体内支架会溶解，因此为了提高此款支架的稳定性，特在水凝胶中加入提高其凝胶特性的谷氨酰胺转氨酶TG，提高其凝胶化程度，避免成型后溶解现象；其配制方法为先配制质量比为10±0.5%明胶溶液，在60±2℃的热水浴中对其进行溶解，待其呈透明状时加入谷氨酰胺转氨酶粉末，搅拌均匀后即可使用，此款水凝胶中明胶和谷氨酰胺转氨酶的之中为10:1~1.1。
所述步骤2）材料挤出：材料挤出，将加热喷头加热到210±10℃，将推送到此模块的PVA丝材进行溶解，并由尖嘴喷头处挤出；
所述步骤3）三维实体网络结构制备：采用具有圆柱形滚筒进行接收，接收滚筒具有三个自由度，轴向的双向移动和旋转，以便在其上接收到不同结构的三维实体网络结构。尖嘴喷头处挤出的丝材沉积到圆柱形，形成了本身就具有三维结构的实体网络；
所述步骤4）三维贯通类血管结构网络的制备：将沉积后的三维实体结构（4-1）静置在具有一定浓度的水凝胶（4-2）中；室温静置15±0.5min后，将其放入到4±0.2℃的环境中30±1min诱导酶促进明胶进行共价交联，然后将其放入到37±1℃的环境中6±0.2h，此时的酶活性最高，促进明胶的凝胶化，待其凝胶化后取出；对其进行适当的修剪，露出三维实体结构的头部和尾部，以便对其进行处理；然后将其放入水中进行溶解；三维实体结构溶解完毕后，即可获得三维贯通结构网络的水凝胶支架；
实施例三：制备骨组织结构体
在本案例涉及细胞操作，需要在无菌环境下进行，所以实验之前要对实验器材与材料进行消毒，实验在超净台中进行，具体步骤如下：
1）材料和原液制备：三维实体网络材料选用无毒的水溶性丝材聚乙烯醇PVA，使用前采用紫外灯进行消毒至少30min；水凝胶采用明胶gelatin，通过热水浴的方法将其溶解，由于此特点，若将此支架移植到体内支架会溶解，因此为了提高此款支架的稳定性，特在水凝胶中加入提高其凝胶特性的谷氨酰胺转氨酶TG，提高其凝胶化程度，避免成型后溶解现象；其配制方法为先配制质量比为10%明胶溶液，在60℃的热水浴中对其进行溶解，待其呈透明状时加入谷氨酰胺转氨酶粉末，搅拌均匀后即可使用，此款水凝胶中明胶和谷氨酰胺转氨酶的之中为10:1；明胶和TG酶使用前要经过高温进行消毒才可使用；
2）材料挤出：材料挤出，将加热喷头加热到210℃，将推送到此模块的PVA丝材进行溶解，并由尖嘴喷头处挤出；
3）三维实体网络结构制备：采用具有圆柱形滚筒进行接收，接收滚筒具有三个自由度，轴向的双向移动和旋转，以便在其上接收到不同结构的三维实体网络结构。尖嘴喷头处挤出的丝材沉积到圆柱形，形成了本身就具有三维结构的实体网络；滚筒使用前采用紫外灯进行消毒至少30min；
4）三维贯通类血管结构网络的制备：将沉积后的三维实体结构（4-1）静置在具有一定浓度的明胶（4-2）中；室温静置15min后，将其放入到4℃的环境中30min诱导酶促进明胶进行共价交联，然后将其放入到30min的环境中6h，此时的酶活性最高，促进明胶的凝胶化，待其凝胶化后取出；对其进行适当的修剪，露出三维实体结构的头部和尾部，以便对其进行处理；然后将其放入磷酸盐缓冲液PBS中进行溶解；三维实体结构溶解完毕后，即可获得三维贯通结构网络的水凝胶支架；
5）组织工程支架细胞培养：将制备好的含有三维贯通结构网络的组织工程支架采用酒精进行消毒；处理完后放入含有人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的培养液中进行动态培养；经过培养后的组织工程支架进行活死染处理，可以看见活细胞粘附在三维贯通结构网络的表面，促进组织工程支架血管化。

Claims (5)

1.滚筒式收集制备三维贯通类血管结构网络支架的方法，其特征在于：采用的三维实体网络制备系统由齿轮（1-2）和滚轮（1-3）提供所需材料推动力；采用加热模块（1-4）和挤出喷头（1-5）作为供料模块；采用不同含有不同结构的圆柱形滚筒作为收集装置；利用丝材PVA的水溶性特点，待其成型完毕后将其牺牲掉；制备工艺流程如下：
1）材料和原液制备：三维实体网络材料选用无毒的水溶性丝材；水凝胶通过热水浴的方法将其溶解；
2）材料挤出：材料挤出，将加热喷头加热到设定温度，将推送到加热模块的丝材进行溶解，并由尖嘴喷头（1-5）处挤出；
3）三维实体网络结构制备：采用具有圆柱形滚筒进行接收，接收滚筒具有三个自由度，轴向的双向移动和旋转，以便在其上接收到不同结构的三维实体网络结构；尖嘴喷头（1-5）处挤出的丝材沉积到圆柱形，形成了本身就具有三维结构的实体网络；
4）三维贯通类血管结构网络的制备：将沉积后的三维实体结构（4-1）静置在具有设定浓度的水凝胶（4-2）中；室温静置后，待其凝胶化后取出；对其进行适当的修剪，露出三维实体结构的头部和尾部，以便对其进行处理；然后将其放入液体中进行溶解；三维实体结构溶解完毕后，即可获得三维贯通结构网络的水凝胶支架；
5）组织工程支架细胞培养：将制备好的含有三维贯通结构网络的水凝胶支架含有细胞的培养液中进行动态培养。
2.根据权利要求1所述的滚筒式收集制备三维贯通类血管结构网络支架的方法，其特征在于：所述步骤1）材料和原液制备：三维实体网络材料选用无毒的水溶性丝材聚乙烯醇PVA；水凝胶采用明胶gelatin，通过热水浴的方法将其溶解，由于此特点，若将此支架移植到体内支架会溶解，因此为了提高此款支架的稳定性，特在水凝胶中加入提高其凝胶特性的谷氨酰胺转氨酶TG，提高其凝胶化程度，避免成型后溶解现象；其配制方法为先配制质量比为10±0.5%明胶溶液，在60±2℃的热水浴中对其进行溶解，待其呈透明状时加入谷氨酰胺转氨酶粉末，搅拌均匀后即可使用，此款水凝胶中明胶和谷氨酰胺转氨酶的之中为10:1~1.1。
3.根据权利要求1所述的滚筒式收集制备三维贯通类血管结构网络支架的方法，其特征在于：所述步骤2）材料挤出：材料挤出，将加热喷头加热到210±10℃，将推送到此模块的PVA丝材进行溶解，并由尖嘴喷头处挤出。
4.根据权利要求1所述的滚筒式收集制备三维贯通类血管结构网络支架的方法，其特征在于：所述步骤3）三维实体网络结构制备：采用具有圆柱形滚筒进行接收，接收滚筒具有三个自由度，轴向的双向移动和旋转，以便在其上接收到不同结构的三维实体网络结构；尖嘴喷头处挤出的丝材沉积到圆柱形，形成了本身就具有三维结构的实体网络。
5.根据权利要求1所述的滚筒式收集制备三维贯通类血管结构网络支架的方法，其特征在于：所述步骤4）三维贯通类血管结构网络的制备：将沉积后的三维实体结构（4-1）静置在具有设定浓度的明胶（4-2）中；室温静置15±0.5min后，将其放入到4±0.2℃的环境中30±1min诱导酶促进明胶进行共价交联，然后将其放入到37±1℃的环境中6±0.2h，此时的酶活性最高，促进明胶的凝胶化，待其凝胶化后取出；对其进行适当的修剪，露出三维实体结构的头部和尾部，以便对其进行处理；然后将其放入磷酸盐缓冲液PBS中进行溶解；三维实体结构溶解完毕后，即可获得三维贯通结构网络的水凝胶支架。
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