CN112354017B

CN112354017B - 一种3d打印的力学仿生耳廓软骨组织工程支架及其制造方法

Info

Publication number: CN112354017B
Application number: CN202011300830.8A
Authority: CN
Inventors: 李学敏; 王艺蒙; 王自强; 张逸芸; 段瑞平; 杜博; 刘玲蓉
Original assignee: Institute of Biomedical Engineering of CAMS and PUMC
Current assignee: Institute of Biomedical Engineering of CAMS and PUMC
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2040-11-19
Also published as: CN112354017A

Abstract

本发明涉及一种3D打印的力学仿生耳廓软骨组织工程支架及其制造方法。它是通过3D打印技术，根据患者的个体耳廓软骨结构模型，打印出个性化的耳廓软骨支架，该组织工程支架由CN201910139657.9中公开的可3D打印聚‑L‑丙交酯‑己内酯（PLCL）与聚己内酯（PCL）生物可降解复合材料（PLCL‑PCL）打印而成，本发明无边框、多孔且孔隙贯通的耳廓软骨组织工程支架生物相容性、可降解性和热稳定性良好，具有耳廓软骨精细、复杂的三维立体结构，并具有与天然人耳廓软骨组织相应解剖区域相似的力学性能特点，适配于天然耳廓软骨的力学性能，可应用于个性化组织工程耳廓软骨的构建。

Description

一种3D打印的力学仿生耳廓软骨组织工程支架及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种3D打印的力学仿生耳廓软骨组织工程支架及其制造方法，属于组织工程技术领域落。

背景技术

由先天性畸形、外伤、感染、肿瘤、手术等引起的耳软骨缺损，目前尚无令人满意的临床治疗手段。组织工程技术为耳廓软骨的修复、重建提供了极有应用前景的途径。一般地，组织工程技术是将种子细胞种植于组织工程支架，构建形成细胞与生物材料的三维空间复合体。其中，组织工程支架是组织工程构建的三要素之一。理想的组织工程支架应具有良好的生物相容性和生物可降解性，体积和形状适宜、孔隙率高且内部孔隙贯通的三维多孔结构，可以为种子细胞的粘附、增殖、长入提供良好的空间，为营养物质的运输和代谢产物的排出提供通道。在构建组织工程化耳廓软骨时，还必须考虑个体多样性及其复杂、精细的三维立体结构，目前具有精细结构且能稳定维持的组织工程耳廓软骨的构建仍然存在极大的挑战。

3D打印（又称增材制造）技术使具有精细结构的组织工程耳廓软骨的构建成为可能。3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用金属粉末或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。通过医学影像学技术如CT、核磁等方式扫描获得患者的健侧耳软骨结构数据，进一步利用计算机辅助设计获得耳软骨结构数字模型，然后经过3D打印技术可以构建出具有精细结构的个性化耳廓软骨组织工程支架。目前，3D打印技术已经在组织工程耳廓构建中被广泛研究和应用。

中国专利CN109893305A公开了一种具有分区的组织工程支架，包括支架本体，支架本体由多组且每组之间方向不同的平行网条构成，网条之间设有将它们交织连接的加强棱。采用3D打印钛合金的方法制作耳廓支架，使人造耳廓支架更加接近真实耳廓的结构，为改良目前常用的小耳畸形外耳廓再造手术做准备，不需通过胸部手术截取肋软骨，减轻了患者的痛苦。

虽然，通过3D打印技术可以获得具有精细结构的个性化支架并用于组织工程耳廓软骨的构建，但是一个不能忽略的问题是，软骨组织的形成受到支架力学性能的影响，理想的耳廓软骨组织工程支架应该具有与天然耳相似的力学性能，给与种子细胞适宜的生物力学信号，并可以有效维持工程化耳廓组织形状和结构的完整性。同时，支架构建时也需要考虑耳廓软骨不同解剖分区的力学性能差异性。GRIFFIN等（Ann Biomed Eng. 2016, 44(12):3460-3467.）在考虑到耳廓软骨的解剖结构特征基础上，测定了各个解剖区域的力学性能，结果显示天然耳廓软骨的平均杨氏模量为1.66±0.63 Mpa，但不同解剖区域之间力学性能有明显的差异，并按照力学性能可以将耳廓软骨分为耳屏、对耳屏、耳轮、对耳轮和耳甲5个区域。由于耳廓软骨结构复杂、且不同解剖区域力学性能存在差异，因此，构建具有力学仿生的耳廓软骨组织工程支架仍然是组织工程耳廓构建亟需解决的重要问题。

发明内容

本发明目的在于提出一种3D打印的具有力学仿生性能的耳廓软骨组织工程支架及其构建方法。该组织工程支架采用CN201910139657.9中公开的可3D打印聚-L-丙交酯-己内酯（PLCL）与聚己内酯（PCL）生物可降解复合材料（PLCL-PCL）打印而成。本发明的耳廓软骨组织工程支架具有良好的生物相容性、可降解性和热稳定性，支架结构精细、多孔无边框且孔隙贯通，并具有与天然人耳廓软骨组织相应解剖区域相似的力学性能特点，可以为个性化组织工程耳廓软骨的构建提供性能优良的支架。

本发明所提供的一种3D打印的力学仿生耳廓软骨组织工程支架是选用PLCL-PCL复合材料为原料，通过3D打印技术制造具有人耳廓软骨外形结构的组织工程支架，支架为无边框、多孔且孔隙贯通的三维结构，同时支架的力学性能与天然人耳软骨力学性能相似，即该力学仿生耳廓软骨组织工程支架的压缩形变中的弹性模量与天然耳廓软骨的相似，具有力学仿生的特点。

该力学仿生耳廓软骨组织工程支架，根据力学性能特点、参照对应的天然耳廓软骨的精细外形结构可以分为耳屏、耳轮、对耳屏、对耳轮、耳甲和耳舟6个分区，各个分区都具有可获取的、表面平整的圆柱形区域用于力学性能测试。

所述的耳廓软骨组织工程支架3D构建中可选用的原材料比例为90-60：10-40（质量）的PLCL-PCL复合材料。

所述的耳廓软骨组织工程支架，其孔的形状、孔径、孔隙率（或填充率）可以根据材料的不同以及支架力学性能的特点进行设计和3D打印形成。

所述的耳廓软骨组织工程支架的力学性能与天然人耳廓软骨力学性能相似，是指按天然耳廓软骨进行解剖分区后，支架相应解剖分区的力学性能与对应的天然耳廓软骨解剖分区的力学性能相似。

本发明提供的3D打印的力学仿生耳廓软骨组织工程支架的制造方法包括如下步骤：

1）设计形状规整的正方体模型，将其导入切片软件并设置打印路径参数；选择合适的PLCL-PCL复合材料，通过熔融沉积方式，设定合适的3D打印参数，打印构建多孔无边框结构的正方体模型，测量打印获得模型的实际三维尺寸数值，并根据设计模型的尺寸数据，分别计算PLCL-PCL复合材料3D打印中在X、Y和Z三轴上的收缩率。

2)将获取的耳廓软骨扫描文件转化为数字模型文件并将模型在XY、YZ、XZ三个平面上旋转一定角度后，使其与水平面接触面积最大；进一步根据步骤1）中PLCL-PCL复合材料在3D打印时在X、Y和Z三轴上的收缩率结果，对耳廓软骨数字模型进行缩放调整，输出为3D打印文件，并按1）中相同条件下进行多孔无边框结构支架的3D打印。

3)将步骤2）中调整后的耳廓软骨数字模型按解剖结构分割为耳屏、耳轮、对耳屏、对耳轮、耳甲和耳舟6个分区，以各个分区中可取到的、圆柱形的、结构平整的区域的最大面积为参照进行选区，以满足支架的力学性能测试需求。按照步骤2）中的耳廓软骨打印路径和打印条件，以保证各选定区域的打印路径与全耳廓支架打印时相对应区域的打印路径相一致，按照上述条件进行3D打印。

4)将步骤3）中3D打印得到的6个力学性能测试区域支架分别进行压缩形变力学性能测试，并与天然耳廓软骨相应解剖分区的力学性能相对比。

本发明提供的一种3D打印的力学仿生耳廓软骨组织工程支架及其制造方法突出的特点在于：

1)本发明3D打印的力学仿生耳廓软骨组织工程支架所选用的材料为CN2019101396 57.9中公开的可3D打印PLCL-PCL复合材料打印而成，支架具有良好的生物相容性、生物可降解性。

2)本发明3D打印的力学仿生耳廓软骨组织工程支架不仅具有天然耳廓软骨的精细外形结构，而且与天然人耳廓软骨具有相似的力学性能；同时为无边框、多孔且孔隙贯通的三维结构。

3)本发明所述的力学仿生耳廓软骨组织工程支架，是与天然人耳廓软骨相应解剖分区具有相似的力学性能。

4)本发明的力学仿生耳廓软骨组织工程支架，是在调整耳廓软骨数字模型的角度至与水平面接触面积最大时打印而成，可以保证模型的可打印性达到最优，减少打印过程中的支撑结构，节省打印材料。

5)本发明的力学仿生耳廓软骨组织工程支架，是在调整耳廓软骨数字模型的角度至与水平面接触面积最大时打印而成，可以使耳廓软骨支架的各解剖分区中都存在满足力学性能测试需求的规整结构区。

6)本发明所述的力学仿生耳廓软骨组织工程支架，是与天然人耳廓软骨相应解剖分区具有相似的力学性能，其是在完整耳廓打印参数条件下选择力学测试区进行打印和测试，保证了所选测试区与全耳廓打印时相应区域的打印路径相同，可以更为真实的反应相应解剖区域的力学性能。

7)本发明所述的力学仿生耳廓软骨组织工程支架，具有天然耳廓软骨的精细外形结构，其外形结构可根据个人耳软骨外形结构特点而调整，满足个性化的组织工程耳廓软骨构建的需求。

8)本发明所述的力学仿生耳廓软骨组织工程支架，为无边框、多孔且孔隙贯通的三维结构，孔的形状、孔径及孔隙率可根据材料及其力学性能进行调整和设计，可以为种子细胞的粘附、增殖、长入提供良好的空间，为营养物质的运输和代谢产物的排出提供通道。

9)本发明力学仿生耳廓软骨组织工程支架充分考虑了材料在3D打印过程中的收缩情况，通过调整打印模型的收缩率，可以调整打印获得接近1：1还原的耳廓支架，减少打印路径及打印线材等引起的打印误差。

附图说明

图1为调整至与水平面接触面积最大时的耳廓软骨数字模型、打印路径及调整收缩率后3D打印的耳廓软骨组织工程支架，原材料（质量）比例为：90：10的PLCL-PCL复合材料，打印填充率为70%。

图2为耳廓软骨数字模型解剖结构分区模型及分区选定力学测试的取样部位示意图。

图3为调整收缩率后耳廓软骨不同分区中力学测试取样区域的打印支架，原材料比例为:90：10的PLCL-PCL复合材料，打印填充率为70%。

图4为耳廓软骨支架的不同解剖分区中力学测试样品的力学性能测试结果。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

力学性能测试方法参照本申请人的同日申请的描述，名称：一种3D打印组织工程耳廓软骨及支架的力学性能的测试方法。

实施例1:

1. 用123D Design 2.2.14设计出8mm×8mm×3mm的正方体模型，选择比例为:90：10的PLCL-PCL共混物为原材料（CN201910139657.9），通过熔融挤出沉积（FDM）打印方式，利用桌面3D打印机在170℃、打印速度2mm/s、70%填充条件下打印，获得多孔无边框结构的正方体模型，测量打印获得模型的三维实际尺寸数值，并根据原始模型的尺寸数据，分别计算3D打印中在X、Y和Z三轴上的收缩率，结果分别为：长（X轴），6.75%±0.51%；宽（Y轴），10.82%±0.43%；高（Z轴），2.35%±0.73%。

2. Materialise Magics24.0中将获取的耳廓软骨扫描文件转化为数字模型文件并调整其与水平面的接触角度，使其与水平面接触面积最大；根据步骤1）中计算获得的X、Y和Z三轴上的收缩率结果，对耳廓软骨数字模型进行缩放调整后，输出为3D打印STL格式的文件，按上述打印参数进行多孔无边框结构的耳廓软骨支架的3D打印。

实施例2:

1.Magics 24.0中将实施例1步骤2）中调整后的耳廓软骨数字模型按解剖结构分割出耳屏、对耳屏、耳轮、对耳轮、耳甲和耳舟的数字模型区域，并以可选取到的结构平整的圆柱形区域的最大面积为参照，分别于耳屏、对耳屏、耳轮、对耳轮、耳甲和耳舟的数字模型区域进行选区，以满足支架的力学性能测试需求。根据90:10的PLCL-PCL共混物3D打印70%填充率正方体支架在X、Y和Z三轴上的收缩率结果，对选定区域的数字模型进行缩放调整，按照上述过程和条件3D打印无边框多孔支架。

2.将步骤1）中3D打印得到的力学测试选定区域的模型支架在Instron 3345 万能材料试验机上进行压缩形变力学性能测试，具体力学测试方法如下：将支架试样放置于载物台上，给与压缩速度为1mm/min，至压缩载荷为3N，保持试样的压缩形变不变，让试样放松15min，测定支架的力学性能，所获得的耳屏、对耳屏、耳轮、对耳轮、耳甲和耳舟的弹性模量分别为0.592±0.03，0.58±0.04，0.596±0.03，1.67±0.11，1.03±0.01，0.52±0.09，与文献报道的天然耳廓软骨各解剖分区的力学性能相似。

实施例3:

1.用123D Design 2.2.14设计出8mm×8mm×3mm的多孔无边框结构的正方体模型，选择比例为80：20的PLCL-PCL共混物为原材料，通过熔融挤出沉积（FDM）打印方式，利用桌面3D打印机在170℃、打印速度2mm/s条件下以70%的填充率打印模型，测量打印获得模型的三维实际尺寸数值，并根据原始模型的尺寸数据，分别计算3D打印中在X、Y和Z三轴上的收缩率，结果分别为：长（X轴），6.75%±0.51%；宽（Y轴），10.82%±0.43%；高（Z轴），2.35%±0.73%。

2. Magics24.0中将获取的耳廓软骨扫描文件转化为数字模型文件并调整其与水平面的接触角度，使其与水平面接触面积最大；根据步骤1）中计算获得的X、Y和Z三轴上的收缩率结果，对耳廓软骨数字模型进行缩放调整后，输出为3D打印STL格式的文件，按上述打印参数，利用桌面3D打印机在170℃、打印速度为2mm/s 、70%的填充条件下进行多孔无边框结构的耳廓软骨组织工程支架的3D打印。

3. Magics24.0中将实施例1步骤2）中调整后的耳廓软骨数字模型按解剖结构分割出耳屏、对耳屏、耳轮、对耳轮、耳甲和耳舟的数字模型区域，并以可选取到的结构平整的圆柱形区域的最大面积为参照，耳屏、对耳屏、耳轮、对耳轮、耳甲和耳舟的数字模型区域进行选区，以满足支架的力学性能测试需求。根据80:20的PLCL-PCL共混物3D打印70%填充率的正方体支架在X、Y和Z三轴上的收缩率结果，对选定区域的数字模型进行缩放调整，按照上述过程和条件3D打印无边框多孔支架。

4.将步骤3）中3D打印得到的力学测试选定区域的模型支架在Instron 3345 万能材料试验机上进行压缩形变力学性能测试，具体力学测试方法如下：将支架试样放置于载物台上，给与压缩速度为1mm/min，至压缩载荷为3N，保持试样的压缩形变不变，让试样放松15min，测定支架的力学性能，所获得的耳轮、对耳轮、耳屏、对耳屏、耳甲和耳舟的弹性模量分别为1.20±0.16，1.52±0.18，1.06±0.30，1.61±0.14，1.23±0.12，0.53±0.04，与文献报道的天然耳廓软骨各解剖分区的力学性能相似。

图1为耳廓软骨模型及其调整至与水平面接触面积最大时的姿态、打印路径和调整收缩率后3D打印的耳廓软骨组织工程支架，原材料比例90：10的PLCL-PCL复合材料，打印填充率为70%。

图2为耳廓软骨数字模型按解剖结构分区模型及分区中选定力学测试的取样部位示意图。

图3为调整收缩率后耳廓软骨不同解剖分区中力学测试取样区域的打印支架，原材料比例90：10的PLCL-PCL复合材料，打印填充率为70%。

图4为耳廓软骨组织工程支架不同解剖分区选定区域打印支架的压缩形变中的弹性模量。A，原材料比例90：10的PLCL-PCL复合材料，打印填充率为70%的各选定区域的弹性模量；B，原材料比例80：20的PLCL-PCL复合材料，打印填充率为70%的各选定区域的弹性模量。

本发明提供了一种3D打印的力学仿生耳廓软骨组织工程支架及其制造方法，提出适配天然耳廓软骨力学性能的组织工程支架，结合3D打印技术，能更好的满足组织工程耳廓软骨的理想支架的要求。

以上述本发明的实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员可在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更及修改。本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims

1.一种3D打印的力学仿生耳廓软骨组织工程支架的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）设计形状规整的正方体模型，通过切片软件将模型处理为无边框、多孔且孔隙贯通、打印填充率为50-70%的正方体模型可打印文件，选用PLCL-PCL复合材料为原材料，通过3D打印技术制造模型支架，测量打印获得支架的三维实际尺寸数值，并根据原始设计模型的尺寸数据，分别计算复合材料3D打印中在X、Y和Z三轴上的收缩率；

2）将获取的耳廓软骨扫描文件转化为数字模型文件并调整其与水平面的接触角度，将模型在XY、YZ、XZ三个平面上旋转一定角度后，最终使其与水平面接触面积最大；进一步根据步骤1）中材料在3D打印时在X、Y和Z三轴上的收缩率结果，对耳廓软骨数字模型进行同样比例的缩放调整后输出为3D打印文件并进行3D打印；

3）将步骤2）中调整后的耳廓软骨数字模型按解剖结构分割为耳屏、对耳屏、耳轮、对耳轮、耳甲和耳舟6个区；以各解剖分区中可选取到的、圆柱形、结构平整区域的最大面积为参照，对各解剖分区进行区域选择，以满足支架的力学性能测试需求；根据步骤1）中材料的收缩率结果，对以上6个选区模型进行缩放调整后输出并3D打印；

4）将步骤3）中3D打印得到的6个耳分区的模型分别进行压缩形变力学性能测试，并与天然耳廓软骨相应解剖分区的力学性能相对比。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于3D打印所使用的原材料是质量比例为90-60：10-40的PLCL-PCL共混物。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于3D打印所使用的原材料PLCL-PCL共混物中，PLCL的特性粘度分布在1-4 dL/g，丙交酯（LA）在65%-85%，己内酯（CL）在15%-35%，特性粘度在2-3dL/g；PCL分子量为4×10⁵-1.88×10⁶g/mol，特性粘度在0.5-1.5 dL/g之间，多分散性指数PDI小于2。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的规整正方体模型支架及耳廓软骨组织工程支架均为无边框、多孔、孔隙贯通的三维结构，孔径和孔隙率根据所选用材料及力学性能需求在50-70%的3D打印填充率的范围内进行设计和调整，孔的形状为正方形、圆形、三角形以及其他通过3D打印实现的形状。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的耳廓软骨组织工程支架构建中充分考虑了所选材料在3D打印过程中的收缩率，并以其为基础进行设计和构建，支架可以满足个性化的精细外形结构和尺寸需求。

6.权利要求1-5任一所述的制备方法得到的3D打印的力学仿生耳廓软骨组织工程支架。