CN111265715A - 一种组织工程管状器官制备方法 - Google Patents

一种组织工程管状器官制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种组织工程管状器官制备方法,涉及生物医学工程领域；包括如下步骤：提取组织管状器官医学影像，根据治疗需要采用灰度值分割构建管状器官内芯数字模型，导入3D打印机中，采用水溶性材料打印内芯模板，把生物相容性材料用浸涂方法涂敷于内芯模板表面，再通过水溶将内芯模板去除，即得到组织工程管状器官。其中浸涂方法为将生物相容性材料以5～30％质量分数溶解于溶剂之中形成浸涂溶液，再把内芯模板浸没于浸涂溶液中5～30分钟，以0.1～3mm/s的匀速提拉出液面，于30～80℃环境中干燥至表干。与现有技术相比，本发明具有如下优势：材料选择范围大、成型精度高、壁厚均匀、无漏孔、制备工艺简单。

Description

一种组织工程管状器官制备方法
技术领域
本发明属于生物医学工程领域,具体涉及一种组织工程管状器官制备方法。
背景技术
组织工程(Tissue engineering)，是一门以细胞生物学和材料科学相结合，进行体外或体内构建组织或器官的新兴学科。生物材料支架所形成的三维结构不但为细胞获取营养、生长和代谢提供了一个良好的环境。组织工程学的发展也为各器官提供了一种组织再生的技术手段，将改变外科传统的“以创伤修复创伤”的治疗模式，迈入无创伤修复的新阶段。现代组织工程经常结合3D打印技术进行器官组织再生。3D打印是快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用各种材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机可以包括熔融沉积式(FDM)，立体光刻成型(SLA)，数字光处理(DLP),选择性区域透光固化(LCD),直写成型(DIW),选择性激光烧结(SLS)，三维粉末粘接(3DP)和分层实体制造(LOM)等类型。
3D打印数字模型文件可来自于医学影像学(Medical Imaging)，它是研究借助于某种辐射(如X射线、电磁场、超声波等)与人体相互作用，把人体内部组织器官结构、密度以三维影像方式表现出来，供诊断医师根据影像提供的信息进行判断，从而对人体健康状况进行评价的一门科学。常见的三维影像技术可以包括核磁共振(NMR)，X射线计算机断层扫描(X-CT)，超声计算机断层扫描(UCT)和正子发射断层扫描(PET)等。
管状器官为一端或两端与外界相通的管道，是人体实现生理功能的重要物质和信息通道。常见的管状器官有血管、肠道、呼吸道、尿道和食道等。管状器官一般柔软而湿润,富有伸展性,空虚状态常形成皱褶。
由于管状器官的复杂性，通过传统方法制备(模拟)组织工程管状器官工艺难度较高，结构复杂。公告号为CN201431531的中国实用新型公开了一种模拟体内管状器官的组织工程用管状支架，采用传统工业成型方法，主体包括沿内孔对半设置且密封固定连接的左主体和右主体。也有人采取直接3D打印软质生物材料的方法制备组织工程管状器官，但软质生物材料打印中定位精度不高且易迁移成型物壁厚不均匀、常有漏孔。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种成型精度高、壁厚均匀、无漏孔的组织工程管状器官制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种组织工程管状器官制备方法，包括如下步骤：
A、提取组织管状器官医学影像，采用灰度值分割构建管状器官内芯数字模型；
B、将管状器官内芯数字模型导入3D打印机中，采用水溶性材料打印得到内芯模板；
C、把生物相容性材料用浸涂方法涂敷在内芯模板的表面，再通过水溶将内芯模板去除，即得到组织工程管状器官。
优选地，步骤A中所述医学影像包括NMR、X-CT、UCT、PET中的一种或多种。
优选地，步骤B中所述3D打印机包括FDM、SLA、DLP、LCD、DIW、SLS、3DP、LOM中的一种。
优选地，步骤B中所述水溶性材料可以包括聚乙烯醇、丁烯二酸乙烯醇共聚物、聚乙二醇、乙二醇丙二醇共聚物、聚丙烯酸、丙烯酰胺、琼脂、明胶中的一种或多种。
优选地，步骤C中所述生物相容性材料包括聚乳酸、聚羟基乙酸、聚己内酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、壳聚糖、丝素蛋白、羟基磷灰石中的一种或多种。
优选地，步骤C中所述浸涂方法具体包括如下步骤：将生物相容性材料以5～30％质量分数溶解于溶剂之中形成浸涂溶液，再把内芯模板浸没于浸涂溶液中5～30分钟，以0.1～3mm/s的匀速提拉出液面，于30～80℃环境中干燥至表干。
优选地，所述溶剂包括乙醇、丙酮、水、乙酸乙酯、甲乙酮、甲基异丁酮、N,N-二甲基甲酰胺、乙酸和二氯甲烷中的一种或多种。
优选地，步骤C中所述水溶的温度范围为0～100℃。
优选地，所述组织工程管状器官的壁厚范围为50～500μm，误差小于或等于20μm，无漏孔。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明公开了一种组织工程管状器官制备方法，通过医学影像学获得组织管状器官的三维数据，3D打印水溶性组织管状器官的内芯模版，浸涂生物相容性材料，最后水溶去除内芯模板，即得到组织工程管状器官，材料选择范围广、成型精度高和制备工艺简单；
(2)一体化成型，相比于分体成型再结合的方式，解决了容易出现漏孔的现象；
(3)相比于直接增材制造成型的组织工程管状器官，壁厚更加均匀，避免出现漏孔现象。
具体实施方式
以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开，下面结合具体实施例对本发明进行详细说明：
一种组织工程管状器官制备方法，包括如下步骤：
A、提取组织管状器官NMR、X-CT、UCT或PET医学影像，采用灰度值分割构建管状器官内芯数字模型；
B、将管状器官内芯数字模型导入FDM、SLA、DLP、LCD、DIW、SLS、3DP或LOM3D打印机中，采用聚乙烯醇、丁烯二酸乙烯醇共聚物、聚乙二醇、乙二醇丙二醇共聚物、聚丙烯酸、丙烯酰胺、琼脂、明胶中的一种或多种水溶性材料打印得到内芯模板；
C、把聚乳酸、聚羟基乙酸、聚己内酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、壳聚糖、丝素蛋白、羟基磷灰石中的一种或多种生物相容性材料以5～30％质量分数溶解于乙醇、丙酮、水、乙酸乙酯、甲乙酮、甲基异丁酮、N,N-二甲基甲酰胺、乙酸和二氯甲烷中的一种或多种溶剂之中形成浸涂溶液；把内芯模板浸没于浸涂溶液中5～30分钟，以0.1～3mm/s的匀速提拉出液面，于30～80℃环境中干燥至表干，在0～100℃下通过水溶将内芯模板去除，即得到壁厚范围为50～500μm，误差小于或等于20μm，无漏孔的组织工程管状器官。
实施例1
一种组织工程尿道的制备方法，包括如下步骤：
A、提取尿道NMR影像，灰度值分割构建尿道内芯数字模型；
B、导入FDM型3D打印机中，采用聚乙烯醇材料打印内芯模板；
C、以10％质量分数的聚乳酸溶解二氯甲烷之中形成浸涂溶液，内芯模板浸没于浸涂溶液中20分钟，以1mm/s的匀速提拉出液面，于30℃环境中干燥至表干，再通过70℃水溶将内芯模板去除，即得到壁厚为100±10μm的组织工程尿道,无漏孔。
实施例2
一种组织工程血管的制备方法，包括如下步骤：
A、提取血管X-CT影像，灰度值分割构建血管内芯数字模型；
B、导入SLA型3D打印机中，采用丙烯酰胺材料打印内芯模板；
C、以5％质量分数的聚己内酯溶解于四氢呋喃之中形成浸涂溶液，内芯模板浸没于浸涂溶液中5分钟，以3mm/s的匀速提拉出液面，于40℃环境中干燥至表干，再通过50℃水溶将内芯模板去除，即得到壁厚为50±5μm的组织工程血管,无漏孔。
实施例3
一种组织工程食管的制备方法，包括如下步骤：
A、提取食管UCT影像，灰度值分割构建食管内芯数字模型；
B、导入DIW型3D打印机中，采用乙二醇丙二醇共聚物材料打印内芯模板；
C、以30％质量分数的聚乳酸-羟基乙酸共聚物溶解于N,N-二甲基甲酰胺之中形成浸涂溶液，内芯模板浸没于浸涂溶液中30分钟，以0.1mm/s的匀速提拉出液面，于80℃环境中干燥至表干，再通过1℃水溶将内芯模板去除，即得到壁厚为500±20μm的组织工程食管,无漏孔。
实施例4：
一种组织工程肠道的制备方法，包括如下步骤：
A、提取肠道PET影像，灰度值分割构建肠道内芯数字模型；
B、导入SLS型3D打印机中，采用聚乙二醇材料打印内芯模板；
C、以15％质量分数的壳聚糖溶解于乙酸之中形成浸涂溶液，内芯模板浸没于浸涂溶液中25分钟，以2mm/s的匀速提拉出液面，于55℃环境中干燥至表干，再通过99℃水溶将内芯模板去除，即得到壁厚为200±15μm的组织工程肠道,无漏孔。
对比例1
提取肠道NMR影像，灰度值分割构建尿道内芯数字模型，导入FDM型3D打印机中，采用聚乳酸材料直接打印壁厚为200μm的组织工程肠道，成型物壁厚不均匀、有漏孔。
对比例2
提取尿道NMR影像，灰度值分割构建尿道内芯数字模型；导入FDM型3D打印机中，采用ABS材料打印内芯模板；
以10％质量分数的聚乳酸溶解于二氯甲烷之中形成浸涂溶液，内芯模板浸没于浸涂溶液中20分钟，以1mm/s的匀速提拉出液面，于30℃环境中干燥至表干，再通过70℃水溶,无法将内芯模板去除，即无法得到组织工程尿道。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种组织工程管状器官制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、提取组织管状器官医学影像，采用灰度值分割构建管状器官内芯数字模型；
B、将管状器官内芯数字模型导入3D打印机中，采用水溶性材料打印得到内芯模板；
C、把生物相容性材料用浸涂方法涂敷在内芯模板的表面，再通过水溶将内芯模板去除，即得到组织工程管状器官。
2.根据权利要求1所述的组织工程管状器官制备方法，其特征在于：步骤A中所述医学影像包括NMR、X-CT、UCT、PET中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的组织工程管状器官制备方法，其特征在于：步骤B中所述3D打印机包括FDM、SLA、DLP、LCD、DIW、SLS、3DP、LOM中的一种。
4.根据权利要求1所述的组织工程管状器官制备方法，其特征在于：步骤B中所述水溶性材料可以包括聚乙烯醇、丁烯二酸乙烯醇共聚物、聚乙二醇、乙二醇丙二醇共聚物、聚丙烯酸、丙烯酰胺、琼脂、明胶中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的组织工程管状器官制备方法，其特征在于：步骤C中所述生物相容性材料包括聚乳酸、聚羟基乙酸、聚己内酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、壳聚糖、丝素蛋白、羟基磷灰石中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的组织工程管状器官制备方法，其特征在于：步骤C中所述浸涂方法具体包括如下步骤：将生物相容性材料以5～30％质量分数溶解于溶剂之中形成浸涂溶液，再把内芯模板浸没于浸涂溶液中5～30分钟，以0.1～3mm/s的匀速提拉出液面，于30～80℃环境中干燥至表干。
7.根据权利要求6所述的组织工程管状器官制备方法，其特征在于：所述溶剂包括乙醇、丙酮、水、乙酸乙酯、甲乙酮、甲基异丁酮、N,N-二甲基甲酰胺、乙酸和二氯甲烷中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的组织工程管状器官制备方法，其特征在于：步骤C中所述水溶的温度范围为0～100℃。
9.根据权利要求1所述的组织工程管状器官制备方法，其特征在于：所述组织工程管状器官的壁厚范围为50～500μm，误差小于或等于20μm，无漏孔。
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