CN113995557B - 一种个性化3d打印半月板再生支架及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种个性化3D打印半月板再生支架的制备方法，包括：S1、制备支架模型并设置用于支撑支架模型的支撑结构模型；S2、在生物3D打印机上设置高温打印头、低温打印头以及内部结构打印设计的工作参数；S3、高温打印头中的挤出料与低温打印头中的挤出料混合打印，并且以半月板再生支架内侧2/3区设为“白区”、外侧1/3区设为“红区”的分区打印方式构建半月板再生支架。其优点是：半月板支架底部可与胫骨平台匹配；并可有效加强其植入后的再生与修复功能。

Description

一种个性化3D打印半月板再生支架及其制备方法
技术领域
本发明涉及医疗假体技术领域，具体地说是一种个性化3D打印半月板再生支架及其制备方法。
背景技术
半月板是位于股骨髁与胫骨平台软骨间的半月形纤维软骨组织，在膝关节中发挥着缓冲减压、吸收震荡、润滑关节、维持关节稳定等功能，而其外侧1/3区域接受来源于关节囊及滑膜的血液供应，称为“红区”，内侧2/3区域缺乏血供，仅通过关节液渗透提供营养，称为“白区”。
随着目前参与运动的人数不断增加，半月板损伤发病率也在相应增加。半月板损伤后可明显影响其功能的发挥，轻者表现为无症状或轻度关节疼痛，重者表现为严重的关节疼痛、关节绞索、活动受限，甚至造成继发性的软骨退变，严重影响患者生活质量。半月板红区含有丰富的血供，自我愈合能力较强，因此，临床上针对“红区”的撕裂通常采取关节镜下缝合修复的方式进行治疗。但是，大部分的半月板损伤都是发生在缺乏血供且愈合能力差的“白区”，针对半月板白区的损伤，关节镜下手术切除损伤游离缘成为主要治疗手段。因此，半月板切除术仍是目前针对半月板损伤治疗的主要手段。然而，半月板切除造成膝关节上、下软骨间失去半月板缓冲垫的作用，导致软骨应力显著增加，从而加速软骨退变，最终引起创伤性骨性关节炎。因此，如何促进半月板再生成为运动医学领域研究的热点和难点。
近年来，组织工程技术已被用于促进不同组织的再生与修复，并且已取得重大进展，例如软骨、神经再生。同时，来自不同国家的科学家尝试利用组织工程技术构建天然半月板。目前，组织工程半月板的构建主要使用高分子材料或天然材料（如聚己内酯，PCL、丝素蛋白等）制作类似于半月板形状的支架，结合种子细胞（如骨髓间充质干细胞、或半月板细胞等），随后再添加生长因子（如转化生长因子β，TGF-β、结缔组织生长因子，CTGF）促进细胞生长、分化及胶原基质合成。但是，前期研究制作的支架多未按照原始半月板形状1：1还原，在形状上与天然半月板仍存在一定差异，从而无法与底部的胫骨平台及上方的股骨髁匹配，造成半月板支架易脱位，或造成应力分布不均等，最终影响半月板再生。并且，不同生长因子具有促进细胞产生不同表型，分泌不同成分的作用，然而，在前期研究中，种子细胞及生长因子多均匀分布于整个支架，最终导致再生的半月板组织在胶原组成、细胞表型上较为单一，与天然半月板的异质性分布相差较大，无法满足天然半月板的功能。最终导致再生的组织工程半月板与天然半月板在胶原组成或分布上仍存在很大差异，或者再生的半月板组织软骨保护作用较差。
发明内容
本发明提供一种个性化3D打印半月板再生支架及其制备方法，目的是至少克服上述一种技术缺陷，以制备与胫骨平台及股骨髁匹配的半月支架，避免半月板支架脱位或应力分布不均。
为了实现上述发明目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明第一方面保护一种个性化3D打印半月板再生支架及其制备方法，包括如下步骤：
S1、制备支架模型并设置用于支撑支架模型的支撑结构模型；
S2、在生物3D打印机上设置高温打印头、低温打印头以及内部结构打印设计的工作参数；
S3、高温打印头中的挤出料与低温打印头中的挤出料混合打印，并且以半月板再生支架内侧2/3区设为“白区”、外侧1/3区设为“红区”的分区打印方式构建半月板再生支架。
优选地，步骤S1中，获取膝关节核磁影像数据后，将膝关节核磁数据导入医学逆向软件Mimics构建半月板三维模型，然后将构建的半月板三维模型导入Geomagic逆向工程软件进行三角面片优化处理，以获得需制备的支架模型。
进一步地优选地，步骤S1中，支撑结构模型是根据支架模型进行设计，使得在3D打印时，支架模型与打印平台之间悬空间隙通过支撑结构模型填充；
其中，所述支撑结构模型的内部结构与高温打印头所打印模型的内部结构相同。
优选地，步骤S2中，
高温打印头用于打印半月板再生支架的框架结构，所述框架结构所使用的材料为聚己内酯、聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的一种；其中所述框架结构与半月板再生支架外形相同，且所述框架结构内为多孔结构；
低温打印头用于填充于所述多孔结构内，且分两个低温打印头打印，一个低温打印头中所装打印材料为通过琼脂糖水凝胶包载转化生长因子β3、结缔组织生长因子、滑膜间充质干细胞构成的物质A;另一低温打印头中所装打印 材料为通过明胶水凝胶包载结缔组织生长因子、滑膜间充质干细胞构成的物质B。
进一步优选地，步骤S3中，打印时，对半月板再生支架实行层切打印方式打印，即在纵向上若干层所述框架结构层叠以构成半月板再生支架；且每层所述框架结构中从其外边缘至内边缘分为与生态解剖结构相同的外侧1/3区的“红区”、内侧2/3区的“白区”，且“红区”使用物质B填充、“白区”使用物质A填充。
更进一步优选地，物质A、物质B均呈“十字”型填充于所述框架结构中。
本发明第二方面保护一种个性化3D打印半月板再生支架，而该支架由第一方面所述方法制备的。
优选地，该再生支架包括一由若干个从下至上层层相叠的框架结构构成的支架本体，且所述框架结构内为多孔结构；每个所述框架结构由外侧1/3区的“红区”、内侧2/3区的“白区”构成，且“白区”使用物质A填充、“红区”使用物质B填充。
进一步优选地，物质A、物质B均呈“十字”型填充于所述多孔结构的孔隙中。
本发明的一种个性化3D打印半月板再生支架及其制备方法，其优点是：
1、本发明通过核磁扫描膝关节后构建半月板三维模型结构，使得构建的半月板再生支架可1:1还原天然半月板形状，包括外高内低的楔形结构，由于支撑结构模型的设计使得半月板支架底部可与胫骨平台匹配，最终可个性化构建半月板再生支架；
2、本发明方法构建的半月板再生支架的内部结构排列与天然半月板胶原纤维排列极为相似，可有效加强其植入后的再生与修复功能；
3、本发明方法构建半月板再生支架过程时，可精确控制生物墨水的分区分布，继而实现“红区”、“白区”基质成分的异质分布，从而使构建的半月板再生支架进一步加强其植入后的再生与修复功能；
4、本发明方法制备过程中，可通过调节高、低温打印头打印区的结构，以及内部线条打印结构，并可通过更换打印针头直径更改打印线条直径，实现了根据需求灵活打印；
5、本发明制备的半月板再生支架结构及其贴近半月板生物解剖结构，并且植入后可与其底部的胫骨平台及上方的股骨髁匹配，避免脱位及应力分布不均，从而加强植入后的再生与修复作用。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为滑膜间充质干细胞在不同凝胶中培养后的细胞形态对比图；
图2为滑膜间充质干细胞经过不同的生长因子处理后表型变化对比图；
图3、图4分别为本发明半月板再生支架的不同视角结构示意图；
图5为半月板再生支架纵切面的部分结构示意图，其中的多孔结构、以及填充物未设置；
其中：
支架本体1、框架结构11、多孔结构2、“红区”3、“白区”4、“十字”型结构5。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例一
本实施例的目的在于提供一种个性化3D打印半月板再生支架的制备方法，包括：制备支架模型并设置用于支撑支架模型的支撑结构模型；在生物3D打印机上设置高温打印头、低温打印头以及内部结构打印设计的工作参数；高温打印头中的挤出料与低温打印头中的挤出料混合打印，并且以半月板再生支架内侧2/3区设为“白区”、外侧1/3区设为“红区”的分区打印方式构建半月板再生支架。
上述技术方案的工作原理为：
利用生物3D打印技术，1:1构建原始半月板形状的支架，同时为使得制备的支架植入后可与其底部的胫骨平台及上方的股骨髁匹配，在制备过程中设置支撑结构模型，最终再生出类天然半月板组织，分为高、低温分区（“白区”、“红区”）打印以及层切方式打印；
上述技术方案的有益效果为：
本技术方案通过使用核磁共振扫描天然半月板，构建半月板三维模型，导入3D打印软件进行模型设计，使用挤出式生物3D打印1：1构建半月板再生支架，并通过分区、分层设计使制备的半月板再生支架最大程度上还原了半月板的生态解剖结构，提高其植入后的再生作用。
实施例二
根据实施例一所述的一种个性化3D打印半月板再生支架的制备方法，步骤S1中，获取膝关节核磁影像数据后，将膝关节核磁数据导入医学逆向软件Mimics构建半月板三维模型，然后将构建的半月板三维模型导入Geomagic逆向工程软件进行三角面片优化处理，以获得需制备的支架模型。该过程的详细操作步骤如下：
1、膝关节核磁图像拍摄及三维模型构建
使用3.0T核磁共振仪器进行膝关节扫描，获取膝关节核磁共振图像，核磁共振扫描序列为PD-FSE-SPIR，具体参数为：重复时间（TR）:2915.0毫秒，回波时间（TE）：39.4毫秒。随后将获取的膝关节核磁二维图像导入医学逆向软件Mimics软件，将采取以下步骤进行半月板组织分割及三维模型重建。
i.利用“编辑蒙罩”（Edit Masks）, “画笔”（Draw）功能，利用半月板组织与其他组织的灰度差，勾勒出半月板的基本轮廓，并且结合图像矢状位、冠状位进行调整，以最大程度勾勒出真实半月板的轮廓；
ii.利用“区域增长”（Region Growing）功能建立半月板“蒙版”（Mask），选中此项功能后，通过点击半月板组织，即可将半月板内部组织全部选中，而半月板之外的组织则被剔除，从而保证后期更加准确的重建半月板三维模型；
iii.建立“蒙版”（Mask）后，利用“三维重建”（Calculate 3D）功能即可构建半月板三维模型，然后导出STL格式。
2、三维模型的优化处理及后加工
随后将STL格式的半月板三维模型导入Geomagic软件，删除模型表面钉状物，进行三角面片优化处理，进一步优化模型表面质量，随后导出STL格式文件，以获得需制备的支架模型。
上述技术方案的有益效果为：
以根据需求构建切合的半月板三维模型。
实施例三
根据实施例二所述的一种个性化3D打印半月板再生支架的制备方法，步骤S1中，支撑结构模型是根据支架模型进行设计，使得在3D打印时，支架模型与打印平台之间悬空间隙通过支撑结构模型填充；
其中，所述支撑结构模型的内部结构与高温打印头所打印模型的内部结构相同。
具体地，选用普朗尼克F127作为支撑结构模型打印的材料，普朗尼克F127具有以下典型的优势：1.室温条件下即可打印；2.具有优异的流变性能，打印保真度极高；3.普朗尼克F127为一种非离子型表面活性剂，可溶于水，因此打印结束后，将半月板支架泡在水中，即可完全去除支撑结构；
上述技术方案的有益效果为：使得制备的半月板再生支架植入后与其底部的胫骨平台及上方的股骨髁匹配，避免脱位及应力分布不均，从而加强再生与修复作用。所述支撑结构模型的设置，因半月板底部并非平坦，存在一定高度差，与底部胫骨平台相匹配。再者打印过程中打印的线条不可能悬浮于半空中，因此，为了保证打印结构的真实性，从而设置了所述支撑结构模型。
实施例四
根据实施例一所述的一种个性化3D打印半月板再生支架的制备方法，步骤S2中，
高温打印头用于打印半月板再生支架的框架结构，所述框架结构所使用的材料为聚己内酯、聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的一种；其中所述框架结构与半月板再生支架外形相同，且所述框架结构内为多孔结构；
低温打印头用于填充于所述多孔结构内，且分两个低温打印头打印，一个低温打印头中所装打印材料为通过琼脂糖水凝胶包载转化生长因子β3、结缔组织生长因子、滑膜间充质干细胞构成的物质A;另一低温打印头中所装打印 材料为通过明胶水凝胶包载结缔组织生长因子、滑膜间充质干细胞构成的物质B。
优选地，聚己内酯可为分子量为43000-50000的聚己内酯，或分子量为80000的聚己内酯。
更具体地，准备工作如下
1、高温打印头中使用高温墨水打印：将分子量为43000-50000的聚己内酯原料加入高温打印头，150℃条件下加热10分钟；
支撑结构打印材料准备：将事先配制的30%（质量体积比）普朗尼克F127加入低温打印头，室温静置10分钟；
2、“红区”中物质B的准备：使用在43摄氏度水浴锅中保存的甲基丙烯酰胺化明胶溶液配制100纳克每毫升（ng/ml）的结缔组织生长因子溶液：将50微升（ul）的结缔组织生长因子储存液加入10毫升的甲基丙烯酰胺化明胶溶液；胰蛋白酶将滑膜细胞从培养皿中消化下来，按照1*106细胞/毫升的比例，使用前述配制的甲基丙烯酰胺化明胶溶液重悬细胞，随后重新置于43摄氏度水浴锅中，以备使用（即物质B备用）。
其中：
甲基丙烯酰胺化明胶的制备：称取5克（g）明胶，溶解于50毫升（ml）的磷酸盐缓冲液中，调节pH为7.2，随后向明胶溶液中加入10毫升的甲基丙烯酸酐，在50摄氏度的水浴中反应2小时，随后在0.1摩尔每升，pH 7.2的磷酸盐缓冲液中透析4天，中间每隔一天更换一次透析液，从而彻底去除多余的未结合的甲基丙烯酸酐分子，最终将制备好的甲基丙烯酰胺化明胶溶液在-80摄氏度冻干。后期使用时，称取0.5克冻干后的甲基丙烯酰胺化明胶，溶解于10毫升的磷酸盐缓冲液中，置于43摄氏度水浴锅中保持液体流动状态，以备使用。
琼脂糖溶液准备：购买商品化的低温成胶琼脂糖粉末（成胶温度23-27摄氏度），将0.1克琼脂糖粉末溶解在10毫升磷酸盐缓冲液中，使用高温高压灭菌，取出灭菌后的琼脂糖溶液，置于43摄氏度水浴锅中保持液体流动状态，以备使用。
滑膜间充质干细胞提取及体外扩增：
（1）无菌条件下获取滑膜组织，使用无血清的基础细胞培养基暂时保存，低温转移至超净台内，使用磷酸盐缓冲液冲洗3次。去除脂肪组织及部分结缔组织，分离出平滑光亮的滑膜组织；
（2）使用无菌剪刀将滑膜组织剪成1-2立方毫米的小块组织，将滑膜组织转移至无菌的50毫升离心管内，1000转每分钟（rpm），离心5分钟，使滑膜组织沉淀在管底；
（3）弃去上清，使用预先配制的0.4%一型胶原蛋白酶，37度恒温箱中消化4小时，消化结束后，经70微米孔径的尼龙网过滤，去除残余、未消化的大块组织；然后1000转每分钟，离心5分钟，使消化后释放的滑膜细胞沉淀在管底；
（4）使用磷酸盐缓冲液重悬滑膜细胞，1000转每分钟，离心5分钟，重复三次，以彻底去除一型胶原酶；
（5）使用含有10%胎牛血清的细胞培养基重悬滑膜细胞，接种在直径10厘米的细胞培养皿中，每隔一天更换细胞培养基，一周后滑膜间充质干细胞可长满整个培养皿；
（6）待滑膜间充质干细胞长满培养皿后，按照1：3比例进行传代，扩增培养，以备使用。
生长因子准备：本发明中使用的转化生长因子β3、结缔组织生长因子均为商品化的产品。
转化生长因子β3储存液配制：
（1）首先，配制5毫摩尔每升（mM）的柠檬酸盐溶液。称取10.5毫克（mg）柠檬酸钠粉末，加入10毫升去离子水溶解，得到5毫摩尔每升（mM）的柠檬酸盐溶液，使用0.22微米的滤网过滤除菌；
（2）将10微克的转化生长因子β3冻干粉加入1毫升柠檬酸盐溶液中，得到10微克每毫升（ug/ml）的转化生长因子β3储存液；
结缔组织生长因子储存液配制：
将20微克（ug）的结缔组织生长因子冻干粉加入1毫升磷酸盐缓冲液中，得到20微克每毫升的结缔组织生长因子储存液；
2、“白区”中物质A的准备：使用在43摄氏度水浴锅中保存的琼脂糖溶液配制10纳克每毫升（ng/ml）的转化生长因子β3溶液：将10微升（ul）的转化生长因子β3储存液、50微升（ul）的结缔组织生长因子储存液加入10毫升的琼脂糖溶液；
按照1*106细胞/毫升的比例，使用上一步配制的琼脂糖溶液重悬细胞，随后重新置于43摄氏度水浴锅中，以备使用（即物质A备用）。
在具体实现过程中，分别将“红区”、“白区”使用的物料加入两个独立的低温打印头内，20℃条件下维持10分钟，以降低水凝胶的流动性，有利于生物墨水以线条的形式挤出，并且不容易塌陷。
上述技术方案的有益效果为：
高温打印头中使用聚己内酯材料打印框架结构，因该材料具有较好的生物相容性，可降解性，并且降解产物为二氧化碳和水，无毒副作用。且聚己内酯具有优异的力学性能，弹性模量与天然半月板接近，从而发挥良好的力学支撑作用。并且，本发明中打印的聚己内酯半月板支架为多孔结构，可促进组织长入。
而选择滑膜间充质干细胞作为种子细胞：因其可促进半月板损伤修复。
生长因子具有促进干细胞分化的功能，不同生长因子可促进干细胞产生不同的表型，分泌不同的基质成分。例如，转化生长因子β3（TGFβ3）可促进干细胞产生软骨样表型，分泌大量二型胶原蛋白，及粘多糖，并且二型胶原蛋白是半月板“白区”含量较为丰富的胶原成分，粘多糖大量分布于天然半月板“白区”，且仅分布于“白区”；结缔组织生长因子（CTGF）可促进干细胞产生纤维细胞样表型，分泌大量一型胶原蛋白，一型胶原蛋白是整个半月板含量最为丰富的胶原成分。因此，为了实现组织工程半月板在组成成分上的异质性分布，本发明将转化生长因子β3及结缔组织生长因子结合滑膜间充质干细胞分布于组织工程半月板支架“白区”部分，其中，转化生长因子β3及结缔组织生长因子可促进滑膜间充质干细胞同时分泌二型胶原蛋白、粘多糖及一型胶原蛋白，与天然半月板“白区”组成一致；其次，将结缔组织生长因子结合滑膜间充质干细胞分布于组织工程半月板支架“红区”部分，其中，结缔组织生长因子可促进滑膜间充质干细胞分泌一型胶原蛋白，与天然半月板“红区”组成一致。
水凝胶作为种子细胞及生长因子的载体，填充于聚己内酯半月板支架中。半月板不同区域细胞的形态存在差异，其中，半月板“白区”的细胞表现为圆球形，而“红区”的细胞表现为长梭形。因此，为了维持不同区域细胞形态的差异性，本发明采用琼脂糖水凝胶包载转化生长因子β3、结缔组织生长因子、滑膜间充质干细胞分布于组织工程半月板支架“白区”部分，其中，琼脂糖由于缺乏细胞黏附位点，细胞表现为圆球形；采用明胶水凝胶包载结缔组织生长因子、滑膜间充质干细胞分布于组织工程半月板支架“红区”部分，其中，明胶含有大量细胞黏附位点，可促进细胞伸展，细胞表现为梭形。
实施例五
根据实施例四所述的一种个性化3D打印半月板再生支架的制备方法，步骤S3中，打印时，对半月板再生支架实行层切打印方式打印，即在纵向上由若干层所述框架结构层叠以构成半月板再生支架；且每层所述框架结构中从其外边缘至内边缘分为与生态解剖结构相同的外侧1/3区的“红区”、内侧2/3区的“白区”，且“红区”使用物质B填充、“白区”使用物质A填充。
上述技术方案的有益效果为：
采用层层、分区打印方式，使制备过程中可精确控制打印区域以及打印结构，致使获得的半月板再生支架结构更加贴合生态解剖型的半月板结构。
实施例六
根据实施例五所述的一种个性化3D打印半月板再生支架的制备方法，物质A、物质B均呈“十字”型填充于所述框架结构内。
具体地，所述框架结构内由多孔结构支撑，且物质A、物质B均呈“十字”型填充于该多孔结构的孔隙中。
上述技术方案的有益效果为：
可精确控制生物墨水的分区分布，从而实现“红区”、“白区”基质成分的异质分布。
进一步地，可根据需求选用不同直径的打印针头，包含有200-500微米不等，层切厚度根据针头的直径进行调整；
上述技术方案的有益效果为：
可根据需求，改变打印线条的直径，设计不同的内部打印线条间隙，例如，曲线、蜂窝状等。
实施例七
一种个性化3D打印半月板再生支架（如图3、图4、图5所示），且其使用实施例一至实施例六任一实施例所述方法制备；
具体地，该再生支架包括一由若干个从下至上层层相叠的框架结构11构成的支架本体1，且所框架结构11内为多孔结构2，对其具有支撑作用；每个所述框架结构11由外侧1/3区的“红区”3、内侧2/3区的“白区”4构成，且“白区”使用物质A填充、“红区”使用物质B填充。
更具体地，所述支架本体1为外高内低的楔形结构，且其底部与胫骨平台匹配，即所述支架本体1从外至内的高度逐渐降低；
上述技术方案的有益效果为：
该结构为仿生的半月板结构，使其植入后与其底部的胫骨平台及上方的股骨髁匹配，避免脱位及应力分布不均，从而加强植入后的再生与修复作用。
实施例八
根据实施例七所述的一种个性化3D打印半月板再生支架，物质A、物质B均呈“十字”型填充于所述多孔结构2的孔隙中。即填充的“十字”型结构参见图中标号5所示（如图3、图4所示）。
上述技术方案的有益效果为：
仿照半月板内部结构，最大程度上分散膝关节对半月板施加的压力，并且使半月板不会有太大形变；同时，起到束缚环向纤维的作用，使得本发明结构植入后，在受到挤压后不会外突太明显。
实施例九
针对滑膜间充质干细胞在不同水凝胶内的形态呈现实验：
使用不同的水凝胶培养滑膜间充质干细胞3天后，使用鬼笔环肽细胞骨架染色剂染色细胞骨架，从而反映出细胞的整体形态，随后在激光共聚焦显微镜下进行拍摄（如图1所示），并且通过层切扫描，可分别构建细胞三维立体结构（如图1所示）。
如图1所示，滑膜间充质干细胞在明胶水凝胶（图中简称明胶）内伸展明显，细胞触角明显；然而在琼脂糖水凝胶（图中简称琼脂糖）内，无任何伸展，表现为圆球形。
实施例十
针对滑膜间充质干细胞经过不同的生长因子处理后表型变化了解实验：
将滑膜间充质干细胞接种在打印后的聚己内酯支架上，使用不同的生长因子对干细胞进行诱导培养。诱导培养一周后，使用相应的抗体检测一型胶原蛋白、二型胶原蛋白、SOX9转录因子（控制二型胶原蛋白表达非常重要的转录因子）。
如图2所示，未经过生长因子诱导的滑膜间充质干细胞，仅有少量的一型胶原蛋白表达；经过转化生长因子β3诱导的滑膜干细胞，二型胶原蛋白、SOX9转录因子表达明显升高；经过结缔组织生长因子处理的细胞，一型胶原表达量显著升高；而经过转化生长因子β3和结缔组织生长因子共同处理的细胞，一型胶原、二型胶原蛋白、SOX9转录因子表达均明显升高。
综上，使用转化生长因子β3和结缔组织生长因子共同处理滑膜干细胞，有利于半月板内侧“白区”成分的构建，使用结缔组织生长因子处理滑膜干细胞，有利于半月板外侧“红区”成分的构建。
本发明中未详细说明的步骤及结构等均为本领域技术人员根据常规技术手段可获得的，因此不做赘述。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种个性化3D打印半月板再生支架的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、制备支架模型并设置用于支撑支架模型的支撑结构模型；
S2、在生物3D打印机上设置高温打印头、低温打印头以及内部结构打印设计的工作参数；
S3、高温打印头中的挤出料与低温打印头中的挤出料混合打印，并且以半月板再生支架内侧2/3区设为“白区”、外侧1/3区设为“红区”的分区打印方式构建半月板再生支架；
步骤S2中，
高温打印头用于打印半月板再生支架的框架结构，所述框架结构所使用的材料为聚己内酯、聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的一种；其中所述框架结构与半月板再生支架外形相同，且所述框架结构内为多孔结构；
低温打印头用于填充于所述多孔结构内，且分两个低温打印头打印，一个低温打印头中所装打印材料为通过琼脂糖水凝胶包载转化生长因子β3、结缔组织生长因子、滑膜间充质干细胞构成的物质A;另一低温打印头中所装打印材料为通过明胶水凝胶包载结缔组织生长因子、滑膜间充质干细胞构成的物质B；
步骤S3中，
打印时，对半月板再生支架实行层切打印方式打印，即在纵向上由若干层所述框架结构层叠以构成半月板再生支架；且每层所述框架结构中从其外边缘至内边缘分为与生态解剖结构相同的外侧1/3区的“红区”、内侧2/3区的“白区”，且“红区”使用物质B填充、“白区”使用物质A填充；
其中，构成的所述半月板再生支架为外高内低的楔形结构。
2.根据权利要求1所述一种个性化3D打印半月板再生支架的制备方法，其特征在于：步骤S1中，获取膝关节核磁影像数据后，将膝关节核磁数据导入医学逆向软件Mimics构建半月板三维模型，然后将构建的半月板三维模型导入Geomagic逆向工程软件进行三角面片优化处理，以获得需制备的支架模型。
3.根据权利要求2所述一种个性化3D打印半月板再生支架的制备方法，其特征在于：步骤S1中，支撑结构模型是根据支架模型进行设计，使得在3D打印时，支架模型与打印平台之间悬空间隙通过支撑结构填充；
其中，所述支撑结构模型的内部结构与高温打印头所打印模型的内部结构相同。
4.根据权利要求1所述一种个性化3D打印半月板再生支架的制备方法，其特征在于：物质A、物质B均呈“十字”型填充于所述框架结构内。
5.一种个性化3D打印半月板再生支架，其特征在于：根据权利要求1-4任一所述方法制备。
6.根据权利要求5所述的一种个性化3D打印半月板再生支架，其特征在于：包括一由若干个从下至上层层相叠的框架结构构成的支架本体（1），且所述框架结构内设多孔结构（2）；每个所述框架结构由外侧1/3区的“红区”（3）、内侧2/3区的“白区”（4）构成，且“白区”使用物质A填充、“红区”使用物质B填充。
7.根据权利要求6所述的一种个性化3D打印半月板再生支架，其特征在于：物质A、物质B均呈“十字”型填充于所述多孔结构（2）的孔隙中。
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