一种骨组织三维微纳尺度预制血管网络的构建系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种骨组织三维微纳尺度预制血管网络的构建系统和方法，用于生物制造领域，采用电流体动力学直写工艺与减材制造技术相结合制造微纳尺度的预制血管通道结构。本发明专利技术所需要牺牲材料的三维形状由无水乙醇催发牺牲材料溶液制得，整个过程无有害物质产生且材料易获得。借助于PVA、PGA和壳聚糖的可打印性来成型微纳尺度的血管结构，解决了采用生物3D打印无法获得三维微纳尺度血管网络的问题。对于临床医学上解决人体组织修复问题中的血管尺度问题具有重要意义。

System and method for constructing three-dimensional micro nano scale prefabricated vascular network of bone tissue

To construct the system and the method of the invention discloses a bone tissue three-dimensional micro nano scale prefabricated vascular network, for the biological manufacturing field, using electric fluid dynamics combined with the reduction of material manufacturing technology manufacturing vessel channel prefabricated structure of micro nano scale direct writing process. The three-dimensional shape of the present invention required sacrifice materials by ethanol precipitated sacrifice solution prepared material, the whole process does not produce harmful substances and materials available. By using the printability of PVA, PGA and chitosan to form micro nano scale vascular structure, the problem of 3D micro and nano scale vascular network without biological 3D printing was solved. It is of great significance to solve the vascular scale problem in human tissue repair in clinical medicine.

【技术实现步骤摘要】
一种骨组织三维微纳尺度预制血管网络的构建系统和方法
本专利技术涉及一种骨组织三维微纳尺度预制血管网络的构建系统和方法，应用于生物制造

技术介绍
组织工程的最终目标是植入人造组织或器官来代替人体内的病变部位，为组织或器官移植提供不同的解决方案，以提高生活质量、延长生命活动。生物3D打印技术在再生组织修复方面有了很大的进展，已经制备了大量的生物支架应用于临床，如皮肤、骨骼、软骨和神经。但仍有一些技术障碍需要克服，其中之一是构建三维微纳尺度预制血管网络，特别是对于尺寸较小的组织和器官。血管网络起到向组织和器官递送营养物质和排除新陈代谢产物的作用，避免体内组织器官坏死。因此，组织工程结构的预血管化对于将体外制造的组织有效地转移至临床医学有着极其重要的意义。目前，一些研究人员已经用不同的方法获得了可灌注的预制血管网络。其中一种方法是用3D打印将牺牲模块应用于生物制造过程，牺牲模块包裹在水凝胶中，待水凝胶成型后溶解掉牺牲模块，从而形成具有含预制血管网络的支架。海藻酸钠和琼脂糖等水凝胶已被用作支架材料，在合成材料、PDMS和纤维支架上填充水凝胶，溶解牺牲模块以形成三维血管网络结构。可溶于水的蔗糖也可以用来产生圆柱形微流体通道，从而制造三维血管结构。虽然这种方法可以制造出类似于人体骨组织三维血管网络结构，但所得到的血管通道的尺寸比较大，不适用人体较小尺度的血管网。因此，这种方法并不能有效地解决骨组织微纳尺度预制血管化网络制造的的问题。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于提供一种骨组织三维微纳尺度预制血管网络的构建系统和方法，利用电流体动力学直写工艺与减材制造技术相结合制造微纳尺度的预制血管通道结构，直写含聚合物Ⅰ和聚合物Ⅱ的混合溶液制备三维微纳尺度预制血管网络，使得所构建的预制血管网络结构具有三维微纳尺度，以便更好地模拟骨组织的血管结构，进行快速修复，提高修复速率。为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种骨组织三维微纳尺度预制血管网络的构建系统，包括3D打印机，医用注射器，旋转接收圆轴，无水乙醇浴缸和高压电源，所述医用注射器安装在3D打印机上，医用注射器的针头与高压电源的正极相连，作为3D打印喷头，所述旋转接收圆轴安装在3D打印喷头下方，通过电机驱动旋转，所述旋转接收圆轴与高压电源的地线相连，在旋转接收圆轴下方放置无水乙醇浴缸；在高压电场作用下，产生静电力形成泰勒锥，电纺丝射流稳定可控，一步实现纤维丝的精确定位与形貌控制，形成未固化的流体纤维，在无水乙醇的催促挥发下形成固化的纤维。所述旋转接收圆轴的可以为铝合金圆轴。一种骨组织三维微纳尺度预制血管网络的构建方法，使用上述的骨组织三维微纳尺度预制血管网络的构建系统，包括如下步骤：a.采用聚合物Ⅰ和聚合物Ⅱ的共混液作为牺牲材料，以无水乙醇为催发剂，旋转接收圆轴为接收装置，将高压电源的正极与3D打印喷头相连，地线与旋转接收圆轴相连，当有电压时形成的纤维丝将喷头与旋转接收圆轴连接，形成闭合的通路，通过缩短喷头与旋转接收圆轴的距离实现对直写过程的控制；b.将在步骤a中喷头换为规格为20G的针头，在3D打印机中输入牺牲结构的编码程序并运行，在高压电场作用下，电荷借助电极，通过分子极化以及电解质电离的方式形成流体纤维，在旋转接收圆轴上打印出微纳尺度的流体纤维，并通过逐层叠加的方式制备三维牺牲结构，同时旋转接收圆轴在转动时与无水乙醇接触，从而快速形成具有三维结构的聚合物Ⅰ和聚合物Ⅱ共混的牺牲模块；c.采用水凝胶作为骨支架材料，mTG酶为交联剂，石蜡作为涂覆剂；在步骤b中制备的三维微纳尺度牺牲模块形成后，在其表面涂覆一层液体石蜡，之后放置在37℃干燥箱中以干燥石蜡，同时用去离子水配置15%的水凝胶，放置60℃水浴中进行搅拌，直至水凝胶颗粒均匀溶解并且温度降到30℃，此时加入mTG酶以交联水凝胶溶液，水凝胶与mTG酶的质量比为10:1；之后将三维牺牲模块放在水凝胶中并在37℃下保持4h以交联水凝胶；d.将在步骤c中含有三维牺牲模块的水凝胶采用医用微创手术刀剪切去除多余部分，露出三维牺牲模块的头部与尾部，将含有三维牺牲模块的水凝胶放在培养皿以溶解牺牲模块，从而得到三维微纳尺度预制血管网络通道。作为本专利技术第一种优选技术方案，在步骤a和b中，聚合物Ⅰ和聚合物Ⅱ分别为PVA和壳聚糖；在步骤c和d中，水凝胶为明胶。作为本专利技术第二种优选技术方案，在步骤a和b中，聚合物Ⅰ和聚合物Ⅱ分别为PGA和壳聚糖；在步骤c和d中，水凝胶为明胶。作为本专利技术第三种优选技术方案，在步骤a和b中，聚合物Ⅰ和聚合物Ⅱ分别为PVA和壳聚糖；在步骤c和d中，水凝胶为载有人骨髓间充质干细胞的明胶。作为本专利技术第四种优选技术方案，在步骤a和b中，聚合物Ⅰ和聚合物Ⅱ分别为PGA和壳聚糖；在步骤c和d中，水凝胶为载有人骨髓间充质干细胞的明胶。载有人骨髓间充质干细胞的明胶的配制方法为：在配制明胶时，从培养箱中取出正在培育中的第五代人骨髓间充质干细胞，经胰蛋白酶作用使细胞离散、离心机离心等步骤，倒掉离心管中的上清液部分获得人骨髓间充质干细胞，向该离心管中加入合适的细胞培养液并均匀吹打，然后用移液管将含有干细胞的液体移入步骤c中的明胶溶液中、搅拌均匀，从而获得含有人骨髓间充质干细胞的明胶溶液，所有步骤均在无菌环境下操作，加入的人骨髓间充质干细胞有向成骨细胞分化的作用，其利于骨组织的生长。本专利技术与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：1.与现有的针对组织修复制作的预制血管网络结构相比较，本专利技术在采用电流体动力学直写打印牺牲材料，以形成三维牺牲模块，实现微观尺度预制血管网络的制造；2.本专利技术制备三维微纳尺度牺牲模块所用的材料易溶于水，整个过程无有害物质产生，且材料易获得；3.本专利技术制备预制血管网络可更换不同内径的针头，以满足不同的应用要求，灵活性较高；4.本专利技术含有三维微纳尺度预制血管网络的骨支架制备工艺简单，直写的三维牺牲模块只需挥发固化即可获得结构形状。本专利技术针对骨缺损修复中至关重要的三维微纳尺度预制血管网络问题进行设计，将电流体动力学直写工艺和减材制造技术相结合，所采用的方法为电流体动力学直写打印牺牲材料，该方法借助计算机辅助设计和精密机械，精确控制悬浮液的沉积，在高压电场作用下，电荷借助电极，通过分子极化以及电解质电离等方式形成流体纤维，并通过逐层叠加的方式制备纳米或亚微米且具有高分辨率的三维牺牲模块结构，接着采用水凝胶进行涂覆或者填充，将牺牲模块进行溶解，此时就会在水凝胶块中形成三维预制血管网络的通道。附图说明图1是本专利技术骨组织三维微纳尺度预制血管网络的构建系统结构示意图。图2是本专利技术实施例一电流体动力学直写的示意图。图3是本专利技术实施例一三维微纳结构预制血管网络通道及方法的流程图。图4是本专利技术中不同三维微纳尺度的牺牲模块示意图。具体实施方式本专利技术的优选实施例结合附图详述如下：如图1和图2所示，一种骨组织三维微纳尺度预制血管网络的构建系统，包括3D打印机，医用注射器，旋转接收圆轴，无水乙醇浴缸和高压电源，所述医用注射器安装在3D打印机上，医用注射器的针头与高压电源的正极相连，作为3D打印喷头，所述旋转接收圆轴安装在3D打印喷头下方，通过电机驱动旋转，所述旋转接收圆轴与高压电源的地本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种骨组织三维微纳尺度预制血管网络的构建系统，其特征在于，包括3D打印机，医用注射器，旋转接收圆轴，无水乙醇浴缸和高压电源，所述医用注射器安装在3D打印机上，医用注射器的针头与高压电源的正极相连，作为3D打印喷头，所述旋转接收圆轴安装在3D打印喷头下方，通过电机驱动旋转，所述旋转接收圆轴与高压电源的地线相连，在旋转接收圆轴下方放置无水乙醇浴缸；在高压电场作用下，产生静电力形成泰勒锥，电纺丝射流稳定可控，一步实现纤维丝的精确定位与形貌控制，形成未固化的流体纤维，在无水乙醇的催促挥发下形成固化的纤维。

【技术特征摘要】
1.一种骨组织三维微纳尺度预制血管网络的构建系统，其特征在于，包括3D打印机，医用注射器，旋转接收圆轴，无水乙醇浴缸和高压电源，所述医用注射器安装在3D打印机上，医用注射器的针头与高压电源的正极相连，作为3D打印喷头，所述旋转接收圆轴安装在3D打印喷头下方，通过电机驱动旋转，所述旋转接收圆轴与高压电源的地线相连，在旋转接收圆轴下方放置无水乙醇浴缸；在高压电场作用下，产生静电力形成泰勒锥，电纺丝射流稳定可控，一步实现纤维丝的精确定位与形貌控制，形成未固化的流体纤维，在无水乙醇的催促挥发下形成固化的纤维。2.根据权利要求1所述的骨组织三维微纳尺度预制血管网络的构建系统，其特征在于，所述旋转接收圆轴的为铝合金圆轴。3.一种骨组织三维微纳尺度预制血管网络的构建方法，使用如权利要求1所述的骨组织三维微纳尺度预制血管网络的构建系统，其特征在于，包括如下步骤：a.采用聚合物Ⅰ和聚合物Ⅱ的共混液作为牺牲材料，以无水乙醇为催发剂，旋转接收圆轴为接收装置，将高压电源的正极与3D打印喷头相连，地线与旋转接收圆轴相连，当有电压时形成的纤维丝将喷头与旋转接收圆轴连接，形成闭合的通路，通过缩短喷头与旋转接收圆轴的距离实现对直写过程的控制；b.将在步骤a中喷头换为规格为20G的针头，在3D打印机中输入牺牲结构的编码程序并运行，在高压电场作用下，电荷借助电极，通过分子极化以及电解质电离的方式形成流体纤维，在旋转接收圆轴上打印出微纳尺度的流体纤维，并通过逐层叠加的方式制备三维牺牲结构，同时旋转接收圆轴在转动时与无水乙醇接触，从而快速形成具有三维结构的聚合物Ⅰ和聚合物Ⅱ共混的牺牲模块；c.采用水凝胶作为骨支架材料，mTG酶为交联剂，石蜡作为涂覆剂；在步骤b中制备的三维微纳尺度牺牲模块形成后，在其表面涂覆一层液体石蜡，之后放置在37℃干燥箱中以干燥石蜡，同时用去离子水配置15%的水凝胶，放置60℃水浴中进行搅拌，直至水凝胶颗粒均匀溶解并且温度降到30℃，此时加入mTG酶以交联水凝胶溶液，水凝胶与mTG酶的质量比为10:1；之后将三维牺牲模块放在水凝胶中并在37℃下保持4h以交联水...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡庆夕，孙程艳，刘媛媛，李帅，李冬冬，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31