3维生物支架制造技术

本发明专利技术涉及用于制造三维(3D)生物支架的设备和方法；用其制造的3D生物支架；以及所述3D生物支架在制造用于治疗诸如但不限于半月板损伤之损伤的植入物中的用途。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于制造三维(3D)生物支架的设备和方法、使用所述方法制成的3D生物支架以及所述3D生物支架在制造用于治疗诸如但不限于半月板损伤之损伤的植入物中的用途。
技术介绍
膝的半月板是两个半月形纤维软骨盘，位于胫骨与股骨之间的膝关节中，改善稳定性和帮助膝的旋转运动，充当减震器并且以滑液的形式向关节软骨提供营养。在人类中，半月板结构不仅仅出现在膝关节中，还存在于肩锁关节、胸锁关节和颞下颌关节中。半月板通常是无血管结构，主要的血液供应被限制在外周，由滑液通过扩散来向半月板的内部部分提供营养。受限的血液供应阻碍了纤维软骨组织(fibro-cartilagenoustissue)的再生能力，导致愈合过程长并且通常不完全，这通常需要外科手术来移除或替换受损的组织。半月板病变是骨科行医中最频繁的损伤之一，并且可以由膝的外伤或扭伤造成。运动员(尤其是从事身体接触运动(contactsports)的那些)处于半月板撕裂的风险中。然而，在老年人中，当组织随着年龄的增加而弱化时，也会发生半月板的损伤。目前的治疗方法是关节镜半月板切除术(arthroscopicmeniscectomy)，这是移除膝中受损半月板的全部或一部分，或者在可能的情况下修复半月板的微创外科手术操作。但是，半月板组织的移除通常导致骨关节炎的进行性发展，其涉及关节(包括关节软骨和软骨下骨骼)的退化。骨关节炎是痛苦的、使人衰弱的病况，是关节炎最常见的形式。骨关节炎是不可治愈的。在疾病的早期阶段或较轻的形式的疾病中，已知诸如物理医疗和镇痛药的治疗选项是有效的。但是，骨关节炎是退化性过程，并且在严重的情况下需要进行外科手术操作如膝或髋置换来为患者提供一些缓解。在美国，骨关节炎是非常普遍的，并且是慢性残疾的主要原因。据估计，在2005年，约两千七百万美国人患有骨关节炎，并且二分之一的人在其一生中的某个阶段会患上骨关节炎。全部或部分半月板切除术具有严重缺陷，这些严重缺陷已经将研究的关注点转移向生物材料和生物工程领域。组织工程提供了新的治疗形式并且减少了诸如捐赠器官排斥和免疫抑制药物依赖的副作用。然而，制造三维(3D)生物支架是存在问题的，因为培养中的细胞通常迁移形成二维层，而生物支架需要用作3D平台。目前用于制造3D生物支架的方法如粒子沥滤(particleleaching)、气压成型(gasforming)、3D打印或熔融沉积成型(fuseddepositionmodelling)产生3D结构，但是它们不能很好地对内部结构或分辨率进行控制。WO2012/054195公开了用于沉积细胞和支撑材料并且从而形成具有限定的几何形状的构建体的生物打印机。通过使用该方法，申请人制造了多层血管。WO2013/040087公开了用于工程化的无生物支架的可植入组织和器官的平台及其制造方法。申请人公开了能够在培养中得以保持的骨骼肌组织的制造。尽管组织工程方法已经取得实质性的发展，用于通过使用生物支架技术的组织工程化构建体(如合成聚合物、水凝胶、ECM组分或源于组织的材料)甚至使用细胞强化技术(cellaugmentationtechnique)来修复半月板撕裂或置换整个半月板的当前技术尚未产生持续的、可靠的长期结果。理想的半月板构建体需要在各个标准如力学(负载和润滑)、生物活性(维持细胞表型、无免疫原性、宿主组织整合)和后勤供应(人工生长半月板的供应、实用的手术植入)方面表现优异。生物可降解聚合物生物支架已经在组织工程学中广泛地作为用于细胞增殖和后续组织再生的平台来使用。然而，用于3D生物支架制造的传统的微挤出方法由于其低分辨率而受限。电纺法(electro-spinning)是一种形式的电流体动力打印(electro-hydrodynamicprinting)，由于其在纳米/微米级水平制造高分辨率生物支架的能力，电纺法的使用尤其具有吸引力。在喷嘴与收集器之间电场的帮助下(图1a)，喷嘴中的液体带电并且被拉伸出来。随后，喷流被所施加的电力弯曲，并且随机地沉积在收集器上。所产生的微米/纳米丝通常是无序的，并且孔径小于20μm。此外，电纺丝网格是非编织的形式，其仅仅可用于诸如过滤的相对少数的应用。研究人员已经致力于通过操作电场或使用动态收集器(dynamiccollector)来修改过程，如图1b所示，使用心轴(mandrel)作为丝收集器以实现丝的对齐。实现了大部分丝在一个方向上对齐的垫，并且观察到细胞沿主丝方向附着。然而，没有实现每条丝的朝向的精确控制。此外，传统的电纺网格和生物支架二者的另一重要缺点是孔径有限，从而导致细胞繁殖速度缓慢。如大部分的体外研究所报导的，所附着的细胞仅在电纺生物支架的顶部形成单个层，并且几乎没有证据表明细胞能够向生物支架的深处生长，因为与细胞的尺寸相比，孔径较小。另一些工作者已经证明了近场电纺工艺(near-fieldelectro-spinningprocess，NFES)的能力(图1c)，其在打印过程中能够控制丝的朝向。在收集器的运动的帮助下，通过工作台控制器，丝沿着x轴和y轴沉积。尽管已经对使用NFES来制造3D聚合物生物支架进行了一些初步尝试，然而由于溶剂难以蒸发，工作总是被限制在2D图案化，并且目前不能构建3D结构。为了构建3D结构体，通常需要丝在喷嘴与收集器之间非常短的距离内快速固化，这对于基于溶剂的方法而言当然是非常具有挑战性的。电流体动力热喷流绘制技术(Electro-hydrodynamichotjetplottingtechnique)也已经用于制造高分辨率(亚10μm)3D生物支架。但是，在制造过程中需要高温来熔化聚合物，因此限制了对温度敏感之材料(即胶原、生长因子等)或具有高熔点之材料的应用。在本研究中，我们已经开发了替选的电流体动力喷印(electro-hydrodynamicjetprinting)(在本文中称为E喷射(E-jetting))技术，并且将其用于制造具有期望的丝朝向和孔径的3D生物可降解聚酯生物支架，如聚己内酯(PCL)生物支架。结果表明通过E喷射技术在＞70％w/v的浓度下实现了固化丝，并且产生了直径20μm的均匀丝，此外，x射线衍射(XRD)和衰减全反射傅里叶变换红外(FTIR)光谱分析表明不存在对于生物可降解聚酯、PCL的物理化学变化。实现了孔径为450μm和孔隙度水平(porositylevel)为92％本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造生物支架的设备，其包含：正压储存器，所述正压储存器在使用中容纳聚酯溶液，并且还与喷嘴流体连通，所述溶液从所述喷嘴离开；工作台，所述工作台位于所述喷嘴附近并且适于沿X、Y和Z三个轴相对于所述喷嘴移动，并且所述工作台在使用中支撑所述溶液在其上沉积的基底；以及电源，所述电源用于在所述喷嘴与所述工作台或所述基底之间产生电场，使得离开所述喷嘴的溶液作为连续丝流动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.08.23 GB 1315074.31.一种用于制造生物支架的设备，其包含：正压储存器，所述正压
储存器在使用中容纳聚酯溶液，并且还与喷嘴流体连通，所述溶液从所述
喷嘴离开；工作台，所述工作台位于所述喷嘴附近并且适于沿X、Y和Z
三个轴相对于所述喷嘴移动，并且所述工作台在使用中支撑所述溶液在其
上沉积的基底；以及电源，所述电源用于在所述喷嘴与所述工作台或所述
基底之间产生电场，使得离开所述喷嘴的溶液作为连续丝流动。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述储存器被保持在0kPa至
400kPa的正压下。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中在制造所述生物
支架时所述正压储存器被保持在恒定压力下。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述储存器还包含
负压装置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述正压储存器或
所述负压装置包含气动装置。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述喷嘴的内径为
80μm至510μm。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述工作台位于所
述喷嘴下方。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述工作台适于在
所述喷嘴保持静止的同时沿X、Y和Z三个轴移动。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述工作台设置有
定位构件和紧固构件之一或二者。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述电源使得使用
者能够施加0Kv至20Kv的电压。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述设备包含温度
控制装置。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述设备还包含计
算机可读介质，所述计算机可读介质具有用于实施成层方法的计算机可执
行指令，所述计算机可执行指令包含存储在计算机可读介质上并且适于由

\t处理器来执行的程序，其中所述程序执行以下功能：
a)相对于所述喷嘴来回移动所述基底，从而沉积所述聚酯溶液的第一
层；
b)移动所述基底使其远离所述喷嘴，从而增加所述喷嘴与所述基底之
间的距离；以及
c)相对于所述喷嘴来回移动所述基底，从而沉积所述聚酯溶液的第二
层；
d)可选地，重复步骤a)至步骤c)直到完成3D生物支架。
13.根据权利要求12所述的设备，其中步骤b)还包括在执行步骤c)
之前相对于所述喷嘴旋转所述基底。
14.根据权利要求12或13中任一项所述的设备，其中所述来回移动
沿直线、曲线、锯齿线或波浪线进行。
15.一种用于制造生物支架的方法，其包括：
i)在正压下提供聚酯溶液；
ii)使所述溶液离开喷嘴并且沉积在基底上；
iii)在所述喷嘴与所述基底之间产生电场，使得离开所述喷嘴的所述
溶液流动成为连续丝；以及
iv)相对于所述喷嘴沿X、Y和Z三个轴中的至少一个轴移动所述基
底，从而以选定方式将所述丝铺设在所述基底上以创建三维生物支架。
16.根据权利要求15所述的方法，其中相对于所述喷嘴来回移动所
述基底，从而沉积所述溶液的第一层。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中移动所述基底使其远离
所述喷嘴，从而增加所述喷嘴与所述基底之间的距离。
18.根据权利要求17所述的方法，其中在移动所述基底使其远离所
述喷嘴之后，再次来回移动所述基底，从而沉积所述溶液的第二层。
19.根据权利要求17所述的方法，其中在沉积所述第一层之后以及
在移动所述喷嘴远离所述基底之前或之后，进一步相对于所述喷嘴旋转所

【专利技术属性】
技术研发人员：田英山，傅盈西，孙捷，王以仁，方玉顺，黄玉山，李金兰，郭一霖，
申请(专利权)人：新加坡国立大学，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG