CN106860917B - 一种个性化含镶嵌结构的3d打印骨组织工程支架 - Google Patents

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Abstract

一种个性化含镶嵌结构的3D打印骨组织工程支架，其特征在于：通过三维建模重建出颌骨大面积骨缺损的形态与结构，该支架包括两部分，一部分是恢复颅颌面骨缺损形态与结构的外部轮廓支架，另一部分是用于促进血管形成的内部管状支架。通过在外部支架上接种间充质干细胞(MSCs)和/或负载骨形成蛋白(BMP)等促进成骨的因子，在内部支架上接种内皮细胞(ECs)和/或负载血管内皮细胞生长因子(VEGF)等促进成血管的因子，从而形成了一个外部维持形态与结构，内部促进血管形成的骨组织工程支架，从而有助于干细胞的增殖、成骨向分化和组织工程复合物的血管形成，进而提高骨再生的质量和速度。

Description

一种个性化含镶嵌结构的3D打印骨组织工程支架
技术领域
本发明涉及一种个性化含镶嵌结构的3D打印骨组织工程支架，具体涉及一种治疗大面积颅颌面骨缺损修复支架的制作方法及其应用。
背景技术
由于外伤、肿瘤等导致的颅颌面部大面积骨缺损，直接影响患者的面部外观以及咀嚼、语音等口腔功能，不仅严重损害患者的身心健康，同时也给社会经济带来巨大负担。传统的骨移植方法包括自体骨移植、异体骨或异种骨移植、人工骨替代材料。自体骨移植是骨缺损修复的金标准，一般采用患者自身的髂骨，虽然其免疫反应低，然而其对供骨区造成新的创伤、有潜在的感染等问题，并且难以塑形，此外，大块的骨移植物中央多因缺血而成为死骨。异体骨或异种骨移植存在新骨替代缓慢，生物力学性能差的问题，异体骨还存在传播疾病的潜在可能。人工骨替代材料具有骨传导性、但很少能具有骨诱导性。
骨组织工程技术被认为是本世纪前沿、最有希望为广大骨缺损患者带来福音的骨再生技术。其中，支架材料是骨组织工程的核心问题和难点所在。传统的多孔支架制作技术有熔融成型法、颗粒滤除法、冷冻干燥技术、静电纺丝法、相分离法等。以上方法制备的支架虽能满足细胞生长的基本要求，但是材料孔径不可控、支架孔隙贯通程度不够，既影响支架的性能，也不利于细胞的增殖分化和组织的血管化。同时，颅颌面部的骨骼多为扁骨或不规则骨，形态和结构复杂，常规的加工方式所形成的支架不能满足颅颌面骨缺损修复的需要。3D打印技术通过扫描缺损部位，获得数字化模型，并建立其三维模型进行打印，对骨缺损部位进行个性化重建。同时还可以很大程度上控制支架的孔径、孔隙率、连通程度以及比表面积，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。
然而，支架材料与种子细胞的复合物植入体内后，如何保证种子细胞的持续增殖与分化并形成新的组织，仍然是骨组织工程面临的挑战之一，组织工程器官的血管化是组织工程化组织成功的重要环节。体外培养时，细胞的营养物质和氧气的运输主要靠渗透作用和扩散作用，复合物植入体内后，依靠血液、细胞间液来进行营养和氧气的运输，远离毛细血管150-200μm以上的细胞可能因为缺乏营养物质和氧气而不能存活。目前，限制组织工程发展的难题是植入物缺乏足够的血液供应，进而导致细胞营养障碍。为了提高复合物在体内的生存率，工程化组织必须具备血管化的能力，为种子细胞的功能活动提供充足的营养和氧气。
然而，目前3D打印的组织工程支架，大部分是结构简单，孔径固定、单一，孔道联通模式简单，而这与人体骨小梁的结构不相符，不利于骨再生和骨组织的血管化。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种个性化含镶嵌结构的3D打印颅颌面骨组织工程支架的制作方法及应用，旨在解决现有技术所制作的骨组织工程支架大部分是结构简单，孔径固定、单一，孔道联通模式简单，不利于骨再生与骨组织血管化的问题。为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：一种个性化含镶嵌结构的3D打印骨组织工程支架，其特征在于：通过三维建模重建出颌骨大面积骨缺损的形态与结构，该支架包括两部分，一部分是恢复颅颌面骨缺损形态与结构的外部轮廓支架，另一部分是用于促进血管形成的内部管状支架。通过在外部支架上接种间充质干细胞(MSCs)和/或负载骨形成蛋白(BMP)等促进成骨的因子，在内部支架上接种内皮细胞(ECs)和/或负载血管内皮细胞生长因子(VEGF)等促进成血管的因子，从而形成了一个外部维持形态与结构，内部促进血管形成的骨组织工程支架，从而有助于干细胞的增殖、成骨向分化和组织工程复合物的血管形成，进而提高骨再生的质量和速度。
具体的过程包括如下步骤：
(1)根据CT影像技术，重建出颌骨缺损的大小及形状；
(2)利用计算机辅助设计软Geomagic 2012进行外部轮廓支架的孔径与孔隙设计、内部管状支架的直径、孔径与孔隙设计。外部轮廓支架的孔径为200μm，内部管状支架的内径为2mm，外径为2.5mm，壁厚为0.5mm，孔径为10μm；
(3)将设计好的三维结构模型数据以STL格式导入3D打印控制软件；
(4)外部轮廓支架所采用的打印材料为聚乳酸、羟基磷灰石粉(直径2-10μm)，按照质量比6∶4混合，内部管状支架所采用的打印材料为聚乳酸；
(5)成型后用无水乙醇和0.5％NaOH溶液分别浸泡24h，去离子水浸泡30min，环氧乙烷灭菌；
(6)在外部轮廓支架上接种间充质干细胞(MSCs)和/或负载骨形成蛋白(BMP)，其中，间充质干细胞直接滴加在支架上，骨形成蛋白通过浸泡负载在支架上，先将支架浸泡在骨形成蛋白溶液中，然后将其冻干。如果同时使用干细胞和骨形成蛋白，先对支架负载骨形成蛋白，然后接种干细胞。在内部管状支架上接种内皮细胞(ECs)和/或负载血管内皮细胞生长因子(VEGF)，其中，内皮细胞直接滴加在支架上，血管内皮细胞生长因子通过浸泡负载在支架上，先将支架浸泡在血管内皮细胞生长因子溶液中，然后将其冻干。如果同时使用内皮细胞和血管内皮细胞生长因子，先对支架负载血管内皮细胞生长因子，然后接种内皮细胞。
本发明制作的支架与现有支架相比，具有以下优点：
本发明通过三维打印的方法制作组织工程支架，能够满足不同患者的颅颌面骨个性化修复需求，制作出与患者颅颌面骨缺损部位相吻合的个性化支架，并可以实现对支架内部微观结构(如孔隙率、孔尺寸、孔分布等)的精准控制。
本发明考虑了骨再生过程中血管化的重要作用，进行了镶嵌结构的内部管状结构设计，有助于实现快速的骨再生和骨组织的血管化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1.镶嵌结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
一种镶嵌结构的3D打印颌骨组织工程支架，该支架包括两部分，一部分是恢复颅颌面骨缺损形态与结构的外部轮廓支架，另一部分是用于促进血管形成的内部管状支架。
在外部支架上接种间充质干细胞(MSCs)和/或负载骨形成蛋白(BMP)，在内部支架上接种内皮细胞(ECs)和/或负载血管内皮细胞生长因子(VEGF)。
以下颌骨大面积缺损为例，一种个性化镶嵌结构的3D打印骨组织工程支架的实施包括以下步骤：
(1)首先针对患者的颅颌面骨缺损，基于CT影像技术进行三维重建，模拟出下颌骨缺损的大小和形状；
(2)根据重建的下颌骨大小与形状，利用计算机辅助设计软件Geomagic 2012进行外部轮廓支架的孔径与孔隙设计、内部管状支架的直径、孔径与孔隙设计；
(3)外部轮廓支架的孔径为梯度，由外向内的孔径逐渐缩小，其中，外部轮廓支架的孔径为200μm，内部管状支架的内径为2mm，外径为2.5mm，壁厚为0.5mm，孔径为10μm；
(4)将设计好的三维结构模型数据以STL格式导入3D打印控制软件；
(5)外部轮廓支架所采用的打印材料为聚乳酸、羟基磷灰石粉(直径2-10μm)，按照质量比6∶4混合，内部管状支架所采用的打印材料为聚乳酸。逐层熔融迭加最终分别得到支架的外部轮廓和内部管道。成型后用无水乙醇和0.5％NaOH溶液分别浸泡24h，去离子水浸泡30min，环氧乙烷灭菌；
(6)先对外部轮廓支架负载骨形成蛋白(BMP)，然后将其冻干，最后接种间充质干细胞(MSCs)。并将内部管状支架浸泡在血管内皮细胞生长因子(VEGF)溶液中，然后将其冻干，最后接种内皮细胞；
(7)植入体内时，将内部管状支架插入外部轮廓支架预先形成的空管中，从而形成含镶嵌结构的下颌骨大面积缺损的骨修复支架，然后将两部分作为一个整体进行植入。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行局部修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种个性化含镶嵌结构的3D打印骨组织工程支架，其特征在于：该支架包括两部分，一部分是恢复颅颌面骨缺损形态与结构的外部轮廓支架，另一部分是用于促进血管形成的内部管状支架，通过在外部支架上接种间充质干细胞(MSCs)和/或负载骨形成蛋白(BMP)促进成骨的因子，在内部支架上接种内皮细胞(ECs)和/或负载血管内皮细胞生长因子(VEGF)促进成血管的因子，从而形成了一个外部维持形态与结构，内部促进血管形成的骨组织工程支架，从而有助于干细胞的增殖、成骨向分化和组织工程复合物的血管形成，进而提高骨再生的质量和速度。
2.如权利要求1所述的含镶嵌结构的3D打印骨组织工程支架，其特征在于：其外部轮廓支架的孔径为200μm，内部管状支架的内径为2mm，外径为2.5mm，壁厚为0.5mm，孔径为10μm。
3.如权利要求1或2所述的含镶嵌结构的3D打印骨组织工程支架，其特征在于：其外部轮廓支架所采用的打印材料为聚乳酸、羟基磷灰石粉，按照质量比6∶4混合，内部管状支架所采用的打印材料为聚乳酸。
4.如权利要求3所述的含镶嵌结构的3D打印骨组织工程支架，其特征在于：羟基磷灰石粉的直径为2-10μm。
5.如权利要求1或2所述的含镶嵌结构的3D打印骨组织工程支架，其特征在于：成型后用无水乙醇和0.5％NaOH溶液分别浸泡24h，去离子水浸泡30min，环氧乙烷灭菌。
6.如权利要求1或2所述的含镶嵌结构的3D打印骨组织工程支架，其特征在于：在外部轮廓支架上接种间充质干细胞(MSCs)和/或负载骨形成蛋白(BMP)，其中，间充质干细胞直接滴加在支架上，骨形成蛋白通过浸泡负载在支架上，先将支架浸泡在骨形成蛋白溶液中，然后将其冻干，如果同时使用干细胞和骨形成蛋白，先对支架负载骨形成蛋白，然后接种干细胞，在内部管状支架上接种内皮细胞(ECs)和/或负载血管内皮细胞生长因子(VEGF)，其中，内皮细胞直接滴加在支架上，血管内皮细胞生长因子通过浸泡负载在支架上，先将支架浸泡在血管内皮细胞生长因子溶液中，然后将其冻干，如果同时使用内皮细胞和血管内皮细胞生长因子，先对支架负载血管内皮细胞生长因子，然后接种内皮细胞。
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