CN108611269B

CN108611269B - 一种腔内3d打印气管修补装置及气管修补方法

Info

Publication number: CN108611269B
Application number: CN201810410421.XA
Authority: CN
Inventors: 王龙
Original assignee: Shanghai Pulmonary Hospital
Current assignee: Shanghai Pulmonary Hospital
Priority date: 2018-05-02
Filing date: 2018-05-02
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2038-05-02
Also published as: CN108611269A

Abstract

本发明公开了一种腔内3D打印气管修补装置及气管修补方法，该腔内3D打印气管修补装置包括：一端为空心钝头的主体，所述主体上开设有一工作窗；固定环绕在所述工作窗两侧主体上的固定装置；以及设置在所述工作窗开口处的定位装置、手术刀、影像扫描装置、第一3D打印装置、第二3D打印装置和交联装置。采用的气管修补方法，采用腔内3D打印气管修补装置实现了3D打印一体化，打印出与组织工程气管相似的生物材料，避免较高的失败率；另外，3D打印出材料所具有的多孔结构也可方便血管等组织的长入；3D打印的一体化可实现腔内打印，无需手术即可修补缺损的气管。

Description

一种腔内3D打印气管修补装置及气管修补方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种腔内3D打印气管修补装置及气管修补方法。

背景技术

目前，气管损伤及修复是再生医学领域的热点问题。气管狭窄或良性气管疾病切除后，气管长度减小。当气管损伤范围小于6cm时，一段气管的切除不影响端端吻合。当气管损伤范围过大，正常的气管便无法安全对接。因此，过多的气管损伤需要切除以外的方法。目前气管修补方法有多种。自体组织移植方法没有免疫排斥反应，可以修补大面积缺损的气管，但狭窄、塌陷等并发症较多。生物相容性假体移植为较新的技术，利用生物相容性及可降解材料制作气管，并移植。但因免疫排斥反应、移植物缺血、再狭窄，气管假体难以得到很好的疗效。组织工程气管修复是气管损伤修复领域中新兴的技术，综合干细胞技术、细胞培养技术等技术，可制作出具有生物活性的气管。虽然组织工程气管无法完全模拟气管的全部功能，但能修补缺损的气管。

支气管内超声(EBUS)利用超声技术及内镜技术，可在气管内扫描气管形态，从而得到气管缺损的情况。整个过程无创，无放射，安全、便捷。

3D打印技术是目前较热门的技术之一，在医疗领域的应用可分为三个部分：模型3D打印、假体3D打印及3D生物打印。3D生物打印技术是3D打印领域中的新兴领域，也是3D打印中较难攻克的一种技术。他可以将具有生物相容性的物质作为基质，与细胞混合，作为3D打印的油墨，制作出特定形状的材料。现阶段，3D生物打印技术可实现软骨的生物打印，且3D生物打印软骨可实现组织再生。

组织工程气管是一种假体，与干细胞等相关细胞机械结合，难以达到较高的成活率。同时组织工程的假体中没有多孔结构，难以长入血管。组织工程所做的假体需要通过手术移植，增加患者的手术相关风险。

发明内容

本发明为解决现有技术中的上述问题，提出一种腔内3D打印气管修补装置及气管修补方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一个方面是提供一种腔内3D打印气管修补装置，具体包括：

一端为空心钝头的主体，所述主体上开设有一工作窗；

固定环绕在所述工作窗两侧主体上的固定装置；以及

设置在所述工作窗开口处的定位装置、手术刀、影像扫描装置、第一3D打印装置、第二3D打印装置和交联装置。

进一步地，在所述的腔内3D打印气管修补装置中，所述固定装置为边缘粗钝的管型装置，用于将整个装置锚定在气管内。

进一步地，在所述的腔内3D打印气管修补装置中，所述定位装置为可伸缩的元件，当其伸长碰到气管壁时可记录整个装置伸入气管的深度。

进一步地，在所述的腔内3D打印气管修补装置中，所述影像扫描装置为EBUS超声探头，用于扫描待修补处气管的影像，并将扫描后的影像上传至所连接的计算机。

进一步地，在所述的腔内3D打印气管修补装置中，所述交联装置上含有紫外灯，用于定位照射水凝胶区域，将水凝胶交联。

进一步地，在所述的腔内3D打印气管修补装置中，还包括设置于所述工作窗开口处通气装置，所述通气装置连通呼吸机。

本发明第二个方面是提供一种基于所述腔内3D打印气管修补装置的气管修补方法，具体包括以下步骤：

(1)材料准备：自体提取软骨细胞，制备细胞悬液，将细胞悬液与水凝胶材料混合制成水凝胶混合液；配制高温支架材料；

(2)插入：将腔内3D打印气管修补装置插入气管，调整工作窗至待修补区域位置；

(3)通气：将通气孔连接呼吸机，保证打印过程中的通气；

(4)定位：采用影像扫描装置扫描，确定气管待修补区域在工作窗内，并展开定位装置，固定位置；

(5)扫描：采用影像扫描装置再次扫描，确定待修补区域形状，并将数据传输至连接的计算机，设计出待修补气管3D模型，准备打印；

(6)打印：采用定位装置定位，记录整个装置伸入气管的深度；随后采用第一3D打印装置将配置好的高温支架材料按照设计的待修补气管3D模型从底面层叠打印出支架层面；然后采用第二3D打印装置将水凝胶混合液向所述支架层面内表面打印具有多孔结构的水凝胶层，并同时采用交联装置照射紫外线将水凝胶交联固定；水凝胶层的厚度达到正常支气管壁厚度；

(7)结束打印：释放固定装置，退出腔内3D打印气管修补装置，完成修补。

进一步地，在所述的气管修补方法中，所述高温支架材料选择聚己内酯、聚乳酸、壳聚糖、聚乙二醇、聚乳酸-羟乙基乙酸共聚物、聚乙烯、聚氨酯、硅橡胶、聚丙烯、聚乙烯醇中的至少一种，以一定比例混合而成。

进一步地，在所述的气管修补方法中，所述常温水凝胶选择明胶、海藻酸钠、透明质酸、2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、甲基丙烯酸酰化明胶中的至少一种，以一定的比例混合而成。

进一步地，在所述的气管修补方法中，所述水凝胶混合液中含10⁴-10⁸个/ml的细胞，其中细胞为中性粒细胞、巨噬细胞、成纤维细胞、软骨细胞、上皮细胞、B淋巴细胞、间充质细胞、白细胞、脂肪细胞中的至少一种。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明提供的腔内3D打印气管修补装置，可实现3D打印一体化，打印出与组织工程气管相似的生物材料，避免较高的失败率；另外，3D打印出材料所具有的多孔结构也可方便血管等组织的长入；3D打印的一体化可实现腔内打印，无需手术即可修补缺损的气管。

附图说明

图1为本发明一种腔内3D打印气管修补装置的结构示意图；

其中，各附图标记为：

1-主体，2-工作窗，3-固定装置，4-定位装置，5-手术刀，6-影像扫描装置，7-第一3D打印装置，8-第二3D打印装置，9-交联装置，10-通气装置。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。

实施例1腔内3D打印气管修补装置

如图1所示的腔内3D打印气管修补装置，其具体包括：一端为空心钝头的主体1，本装置的主体1为圆柱形，材料为不锈钢，所述主体1上开设有一工作窗2；固定环绕在所述工作窗2两侧主体1上的固定装置3；以及依次设置在所述工作窗2开口处的多种功能元件，功能元件包括定位装置4、手术刀5、影像扫描装置6、第一3D打印装置7、第二3D打印装置8和交联装置9。

在该实施例的腔内3D打印气管修补装置中，所述固定装置3为边缘粗钝的管型装置，具有可伸长的钝性条状的脚，工作窗2的位置确定后伸长，用于将整个装置锚定在气管内，不损伤气管本身。所述定位装置4为可伸缩的元件，其结构类似于固定装置3，具有可伸长的钝性条状的脚，伸长后触碰到气管壁，记录其伸长深度，用于后续第一3D打印装置7、第二3D打印装置8工作时装置的伸长。当其伸长碰到气管壁时可记录此刻整个装置伸入气管的深度，该定位装置4在工作前定位起始位点。

手术刀5为手术时用的刀片，用于在狭窄的气管中可将气管切开，方便后续腔内3D打印装置的插入。所述影像扫描装置6为EBUS超声探头，探头为支气管内超声探头，用于扫描待修补处气管的影像，即扫描待修补处气管的详细情况，并将扫描后的影像上传至所连接的计算机，通过软件快速设计待修补气管3D模型。第一3D打印装置7为高温材料打印装置，为3D生物打印高温材料喷头，内有加热装置和温控装置，使高温材料可以熔融后挤出，修补缺损。第二3D打印装置8为常温材料打印装置，为3D生物打印常温材料喷头，有加热、制冷装置和温控装置，使常温的水凝胶以合适的温度打印出来，修补缺损。

此外，第一3D打印装置7用于根据设计的待修补气管3D模型，打印出高温支架材料；第二3D打印装置8用于根据设计的待修补气管3D模型，打印出常温水凝胶。所述交联装置9为一固定功率的紫外线发射灯，经过控制可发出紫外线，用于定位照射水凝胶区域，将水凝胶交联。

此外，该腔内3D打印气管修补装置还包括设置于所述工作窗2开口处通气装置10，所述通气装置10为连通呼吸机的中空管状的通气管道，用于打印过程中患者的通气，如图1所示，10号通气装置应为直线的管状结构，其伸入主体1的前端，不在工作窗2开口处弯折。

实施例2利用腔内3D生物打印技术修补气管损伤

(1)细胞、水凝胶、高温材料的准备：自体提取软骨细胞，传代培养后，消化后以3*10⁶/ml重悬备用；将明胶、细胞悬液、2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮以3:2:1的比例混合，制成水凝胶混合液；将聚乳酸-羟乙基乙酸共聚物与聚乙二醇以3:1的比例混合，制成高温支架材料；

(2)插入：麻醉后，将腔内3D打印气管修补装置插入气管，调整工作窗至气管待修补位置；

(3)通气：将通气装置连接呼吸机，保证打印过程中的气管正常通气；

(4)定位：采用EBUS(经支气管内镜超声波检查法)扫描，确定待修补区域在工作窗范围内，并将定位装置展开，固定位置；

(5)扫描：采用EBUS再次扫描，确定待修补区域形状，并将数据传输至连接的电脑，设计出待修补气管3D模型，准备打印；

(6)打印：定位装置定位，记录整个装置伸入气管的深度；随后采用第一3D打印装置将高温支架材料按照设计的模型从底面层叠打印出支架层面；结束后，采用第二3D打印装置向支架层面的内表面打印具有多孔结构的水凝胶一层，交联装置照射紫外线将水凝胶交联固定；第二3D打印装置再向交联后的水凝胶层上打印新的一层具有多孔结构的分水凝胶，如此反复，直到达到正常支气管壁厚度；

(7)结束打印：释放固定装置，轻轻退出腔内3D打印气管修补装置，完气管修补。

实施例3利用腔内3D生物打印技术治疗气管狭窄

(2)插入：麻醉后，将腔内3D打印气管修补装置插入气管，调整工作窗至待修补位置；

(3)通气：将通气装置连接呼吸机，保证打印过程中的通气；

(4)定位：采用EBUS(经支气管内镜超声波检查法)扫描，确定待修补区域在工作窗内，定位装置展开，固定位置；

(5)切开狭窄：采用手术刀切开狭窄部位；

(6)扫描：采用EBUS再次扫描，确定待修补区域形状，并将数据传输至连接的电脑，设计出待修补气管3D模型，准备打印；

(7)打印：定位装置定位，记录整个装置伸入气管的深度；随后采用第一3D打印装置将配置好的高温支架材料按照所述待修补气管3D模型从底面层叠打印出支架层面；结束后，采用第二3D打印装置向高温支架材料内表面打印具有多孔结构的水凝胶一层，并采用交联装置照射紫外线将水凝胶交联固定，第二3D打印装置再向交联后的水凝胶层上打印新的一层具有多孔结构的分水凝胶，如此反复，直到达到正常支气管壁厚度；

(8)结束打印：释放固定装置，轻轻退出腔内3D打印气管修补装置，完气管修补。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims

1.一种腔内3D打印气管修补装置，其特征在于，包括：

一端为空心钝头的主体，所述主体上开设有一工作窗；

固定环绕在所述工作窗两侧主体上的固定装置；以及

设置在所述工作窗开口处的定位装置、手术刀、与计算机连接的影像扫描装置、第一3D打印装置、第二3D打印装置和交联装置；

所述交联装置上含有紫外灯；

还包括设置于所述工作窗开口处通气装置，所述通气装置连通呼吸机；

所述第一3D打印装置为高温材料打印装置，内有加热装置和温控装置，将高温支架材料打印出支架层面；

所述第二3D打印装置为常温材料打印装置，有加热、制冷装置和温控装置，将含有软骨细胞悬液和水凝胶的水凝胶混合液打印出具有多孔结构的水凝胶层。

2.根据权利要求1所述的腔内3D打印气管修补装置，其特征在于，所述固定装置(3)为边缘粗钝的可伸缩的管型装置，用于将整个装置锚定在气管内。

3.根据权利要求1所述的腔内3D打印气管修补装置，其特征在于，所述定位装置为可伸缩的元件，当其伸长碰到气管壁时以记录整个装置伸入气管的深度。

4.根据权利要求1所述的腔内3D打印气管修补装置，其特征在于，所述影像扫描装置为EBUS超声探头，用于扫描待修补处气管的影像，并将扫描后的影像上传至所连接的计算机。