一種組織工程半月板支架的3D生物打印制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種組織工程半月板支架的3D生物打印制備方法，為組織工程半月板研究提供新的工藝方法，步驟為：1）構(gòu)建半月板三維模型，獲得多層切片的CAD數(shù)據(jù)模型；2）制備可降解生物支架材料P(LLA-CL)；3）在3D生物打印機(jī)的料筒中加入支架材料P(LLA-CL)，依據(jù)CAD數(shù)據(jù)模型，打印得到可負(fù)載細(xì)胞的半月板三維支架；4）通過3D生物打印機(jī)，向半月板三維支架中注入生長(zhǎng)因子，得到半月板組織；5）完成半月板移植。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于組織工程
，特別適用于生物醫(yī)學(xué)組織工程支架材料的制備，具體為一種組織工程半月板三維支架的3D生物打印制備方法。
技術(shù)介紹
半月板由纖維軟骨組成，是膝關(guān)節(jié)的重要組成部分，具有吸收震蕩、傳遞負(fù)荷、營(yíng)養(yǎng)關(guān)節(jié)軟骨、潤(rùn)滑和增加關(guān)節(jié)接觸面積以及維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定等重要功能，并可在一定程度上緩和股骨與脛骨之間的不一致性。半月板嚴(yán)重?fù)p傷或切除后，半月板對(duì)關(guān)節(jié)軟骨的保護(hù)作用喪失、關(guān)節(jié)軟骨退變加速，導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)和載荷傳遞紊亂，以至骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。隨著對(duì)半月板結(jié)構(gòu)和功能認(rèn)識(shí)的深入，在半月板損傷的治療中應(yīng)盡量保留和修復(fù)半月板已成為共識(shí)，然而，并非所有損傷的半月板均可得到修復(fù)。對(duì)于半月板完全破壞、無法修復(fù)或已被切除者，半月板的移植或再造修復(fù)成為人們最為關(guān)注的問題。組織工程以新型支架材料為基礎(chǔ)為半月板提供了潛在的治療策略。目前常用的組織工程半月板支架均未能很好的模仿人體半月板的三維形態(tài)、結(jié)構(gòu)和機(jī)械力學(xué)性能。例如靜電紡絲是一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的，能編造出具有高孔隙率，納米到微米級(jí)，與細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)相似的支架的編制方法，目前常見的靜電紡絲納米纖維支架的孔徑過小且絲狀結(jié)構(gòu)無序排列，不利于細(xì)胞向其內(nèi)部生長(zhǎng)；例如3D生物打印制備植入假體的方法，采用金屬粉末或尼龍等，打印設(shè)備采用激光燒結(jié)技術(shù)類型(SLS)，該方法的制備品是不具備活性的支撐假體，不具備生物降解性，也不能植入活性細(xì)胞。本專利技術(shù)采用的3D生物打印可以自由控制孔隙結(jié)構(gòu)與孔隙率，同時(shí)本專利技術(shù)用具有良好彈性和生物降解性的聚乳酸-聚己內(nèi)酯共聚物(P (LLA-CL))作為支架材料，運(yùn)用3D生物打印的方法制備三維，多孔隙的半月板支架?；趥鹘y(tǒng)組織工程原理的治療措施包括:應(yīng)用種子細(xì)胞促進(jìn)半月板損傷的愈合；應(yīng)用天然或人工合成的半月板假體替代切除的半月板組織；體外構(gòu)建組織工程化半月板，然后植入體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)半月板的再生。由于工藝及裝備技術(shù)的局限，目前制備骨軟骨支架在一體化成形方面存在局限，因而修復(fù)的組織在分散應(yīng)力、抵抗剪切力、以及限制組織液在骨與軟骨之間自由交換等功能方面還無法滿足臨床需求。組織工程發(fā)展到20世紀(jì)，三維打印(Three Dimens1nal Printing，簡(jiǎn)稱3D打印)技術(shù)為制備軟骨支架提供了新的思路和方法，為半月板缺損的治療提供了新的思路成為基礎(chǔ)和臨床研究的熱點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是為解決患者膝關(guān)節(jié)半月板受損修復(fù)，提供一種組織工程半月板支架的3D生物打印制備方法，為組織工程半月板研究提供新的工藝方法。本專利技術(shù)的一種組織工程半月板支架的3D生物打印制備方法，步驟為: 1)構(gòu)建半月板三維模型，載入到3D生物打印機(jī)應(yīng)用軟件中進(jìn)行處理，對(duì)半月板三維模型進(jìn)行分層切片，獲得多層切片的CAD數(shù)據(jù)模型；2)制備可降解生物支架材料P(LLA-CL)，以L-乳酸與ε -己內(nèi)酯為原料，在催化條件下進(jìn)行開環(huán)共聚反應(yīng)，制備出高分子量的P(LLA-CL)無規(guī)共聚物； 3)在3D生物打印機(jī)的料筒中加入支架材料P(LLA-CL)，依據(jù)CAD數(shù)據(jù)模型，打印得到可負(fù)載細(xì)胞的半月板三維支架； 4)通過3D生物打印機(jī)，向半月板三維支架中注入生長(zhǎng)因子，得到半月板組織； 5 )將半月板組織安裝在取出的已損壞的半月板的對(duì)應(yīng)位置，完成半月板移植。進(jìn)一步的，所述步驟I)中構(gòu)建半月板三維模型是根據(jù)核磁共振的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建得到的，具體為: 51:對(duì)健康人的完好膝關(guān)節(jié)進(jìn)行核磁共振，掃描原始數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫；在30生物打印機(jī)的圖形處理軟件中通過圖像分割、編輯、三維計(jì)算處理，行成與患者受損的半月板相對(duì)應(yīng)的半月板三維模型； 52:將步驟SI建立的半月板三維模型進(jìn)行鏡像操作，得到適用于患者的受損半月板的三維模型； 53:在受損半月板三維模型上添加骨粧模型； 54:對(duì)半月板的替代三維模型的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正并保存。進(jìn)一步的，所述骨粧模型的長(zhǎng)*寬*厚為8-12 mm*10-15 mm*1-3 mm。進(jìn)一步的，所述半月板三維模型中半月板本體為多孔結(jié)構(gòu)，骨粧為不帶孔的實(shí)體。進(jìn)一步的，所述步驟2)中共聚反應(yīng)的壓強(qiáng)小于0.5Pa，溫度為120_150°C，催化劑與原料的摩爾比為6000- 8000:1，聚合時(shí)間為36-48h，所述催化劑為辛酸亞錫。進(jìn)一步的，所述高分子量的P(LLA-CL)無規(guī)共聚物的重均分子量為3.0X 105-7.0X 105，分子量分布系數(shù)為1.1-1.5。進(jìn)一步的，所述步驟3)中取支架材料P(LLA-CL)加入到支架打印頭的料筒內(nèi)，加熱到120-180°C，然后將3D生物打印機(jī)的X、Y、Z三軸調(diào)整到打印成型合適的位置；啟動(dòng)打印程序，支架打印頭在具有層片信息的CAD數(shù)據(jù)模型直接驅(qū)動(dòng)下，將材料擠出在載有滅菌玻璃底板的打印平臺(tái)上，不同的層面之間再層層交錯(cuò)疊加粘結(jié)，形成半月板形狀的三維結(jié)構(gòu)體，得到可負(fù)載細(xì)胞的半月板三維支架。進(jìn)一步的，所述步驟3)中打印頭直徑為150-250 μ m，擠出速度為0.02-0.025mm/s，打印速度為 3_8mm/s，層厚 0.02-0.08mm。進(jìn)一步的，所述步驟5)中半月板移植方法為將組織工程半月板的兩個(gè)骨粧穿過預(yù)設(shè)的骨隧道，用可降解骨釘將骨粧固定于脛骨上，用絲線將半月板外緣縫合于關(guān)節(jié)囊上即完成半月板移植。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:本專利技術(shù)通過運(yùn)用3D生物打印的方法制備半月板支架，能很好的模仿人體半月板的三維形態(tài)、結(jié)構(gòu)，定向的孔隙結(jié)構(gòu)利于引導(dǎo)細(xì)胞貼壁生長(zhǎng)。同時(shí)用具有良好彈性和生物降解性的聚乳酸-聚己內(nèi)酯共聚物(P (LLA-CL))作為支架材料，在生物支架制備品中植入細(xì)胞，具有活性，靠細(xì)胞增殖與支架逐步降解，最終形成人體的活性組織，滿足組織工程半月板對(duì)力學(xué)性能的要求。【附圖說明】圖1.本專利技術(shù)的3D生物打印制備的半月板結(jié)構(gòu)圖； 圖2.三維重建后的半月板模型示意圖；圖3.本專利技術(shù)的3D生物打印制備的半月板植入膝關(guān)節(jié)時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。【具體實(shí)施方式】 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本專利技術(shù)的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。一種組織工程半月板支架的3D生物打印制備方法，是通過核磁共振(MRI)對(duì)患者完好膝關(guān)節(jié)中與受損半月板對(duì)應(yīng)的完好半月板成像，利用MRI成像數(shù)據(jù)重建出用于修復(fù)的半月板三維模型，借助3D生物打印設(shè)備制備半月板支架，植入細(xì)胞培養(yǎng)。本專利技術(shù)通過3D生物打印制備半月板支架，可以準(zhǔn)確控制支架的結(jié)構(gòu)、孔隙率，利于細(xì)胞貼壁繁殖，同時(shí)選用的可降解材料滿足對(duì)半月板支架的生物相容性與機(jī)械性能要求。具體包括如下步驟: I)構(gòu)建半月板三維模型，是根據(jù)核磁共振的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建得到的，具體為: S1:對(duì)健康人的完好膝關(guān)節(jié)進(jìn)行核磁共振(MRI )，掃描原始數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫；在3D生物打印機(jī)的圖形處理軟件中通過圖像分割、編輯、三維計(jì)算處理，行成與患者受損的半月板相對(duì)應(yīng)的膝關(guān)節(jié)中同側(cè)(外側(cè)或內(nèi)側(cè))半月板三維模型。S2:將步驟SI建立的半月板三維模型進(jìn)行鏡像操作，得到適用于患者的受損半月板的三維模型(如圖2所示)。S3:在受損半月板三維模型上添加骨粧模型(I )，所述骨粧模型的長(zhǎng)*寬*厚為8-12 mm*10_15 mm*1-3 mm ;優(yōu)選為用于半當(dāng)前第1頁1 2 本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種組織工程半月板支架的3D生物打印制備方法，其特征在于，步驟為：1）構(gòu)建半月板三維模型，載入到3D生物打印機(jī)應(yīng)用軟件中進(jìn)行處理，對(duì)半月板三維模型進(jìn)行分層切片，獲得多層切片的CAD數(shù)據(jù)模型；2）制備可降解生物支架材料P(LLA?CL)，以L?乳酸與ε?己內(nèi)酯為原料，在催化條件下進(jìn)行開環(huán)共聚反應(yīng)，制備出高分子量的P(LLA?CL)無規(guī)共聚物；3）在3D生物打印機(jī)的料筒中加入支架材料P(LLA?CL)，依據(jù)CAD數(shù)據(jù)模型，打印得到可負(fù)載細(xì)胞的半月板三維支架；通過3D生物打印機(jī)，向半月板三維支架中注入生長(zhǎng)因子，得到半月板組織；5）將半月板組織安裝在取出的已損壞的半月板的對(duì)應(yīng)位置，完成半月板移植。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王紅，施敏超，張楠，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：青島尤尼科技有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：山東;37