用于制备组织工程骨软骨支架的成形系统及生物3D打印成形方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于组织工程骨软骨支架制备的成形系统及生物3D打印成形方法，成形系统包括：喷头装置、三维运动机构、成形台、压力源以及控制系统及数据处理系统，利用气动挤出成形工艺原理,由控制系统及数据处理系统控制三维运动机构的运动以及喷头装置的供料,采用并列式双针头同时挤出两种材料。本发明专利技术提供的组织工程骨软骨支架制备的成形系统及方法，易控制且操作简单，能够实现特殊复合梯度支架的制备。

The forming system for the preparation of tissue engineered bone cartilage scaffold and the method of biological 3D printing

【技术实现步骤摘要】
用于制备组织工程骨软骨支架的成形系统及生物3D打印成形方法
本专利技术涉及一种骨软骨支架的成型装置及其制备方法，特别是涉及一种骨软骨一体化复合支架的成型装置及其制备方法，应用于生物制造

技术介绍
骨关节炎是一种在全世界中老年人群中常见的退行性疾病，对人的健康生活有很大影响。据估计，在65岁以上人群中，有40％在较大的关节处呈现出骨关节炎症状，生活质量受到了严重影响。同时，平均寿命的不断上升也增加了患病人口的百分比。在临床上，目前的治疗方法主要还无法使骨软骨组织完全成功再生。所有可用的治疗手段，诸如修复手术、移植、自体移植和自体软骨细胞移植等，除了具有易形成纤维软骨和缺乏供体供应的局限性外，在治疗效果实现之前容易造成进一步的组织损伤。然而，使用这些方法修复组织是否能恢复长期性的功能仍具有不确定性。骨软骨损伤会影响关节软骨和软骨下骨，这些缺损又和关节的机械稳定性有着密切的联系，因此具有产生骨关节炎的退行性病变的风险。另外，由运动导致的骨软骨损伤同样急需一种更有效的治疗方式。近年来，随着生物材料、制造技术和生命医学等相关学科的迅速发展，组织工程(Tissueengineering)作为一个跨学科领域，在为骨关节炎和退行性关节疾病提供新的治疗方法上显示出巨大的潜力。其原理主要是将经过体外培养、增殖的种子细胞接种在可降解的支架材料上进行体外培养或植入体内缺损部位，最终形成具有正常结构和组织功能的、新的骨软骨，来完成对受损关节组织的修复和再造。利用组织工程技术构建的具有生物活性的骨软骨移植物，不仅可以大量制备以弥补骨软骨移植供体不足的缺陷，而且可以大大减轻重复手术和术后并发症给患者带来的巨大痛苦，是骨软骨修复及重建的理想方法。其中，组织工程对所用的支架提出严格的要求，包括拥有良好的机械性能且具有特殊多孔结构，适合的生物降解性能、生物相容性等，同时，还要求支架能够很好的模拟两个不同的组织，如骨和软骨。为了构建含有不同的细胞类型和机械性能梯度的组织，一个理想的骨软骨支架应当包含两个或更多区域，包括不同组成成分和微观结构，中间区域需要有平滑的过渡，在避免支架脱落的同时促进应力传递。如何构建满足组织工程要求的骨软骨一体化复合支架，已成为国内外学术界在组织工程方面的研究热点之一。
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克服已有技术存在的不足，提供一种用于制备组织工程骨软骨支架的成形系统及生物3D打印成形方法，能够制备组织工程梯度骨软骨支架，采用3D打印成形工艺，实现高质量的生物制造，具有装置简单可靠、制作成本低、自动化程度高等优点，能制备具有结构梯度与材料梯度的再生骨软骨支架。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种用于制备组织工程骨软骨支架的成形系统，主要由三维运动机构、喷头装置、压力源、控制及数据处理系统和成形台组成；喷头装置主要包括料筒和并列式双针头；采用气动挤出成形工艺装置，压力源通过气管与料筒连通，料筒再通过软管与并列式双针头连通，构成浆料的挤出输送管路；控制及数据处理系统分别通过数据线连接三维运动机构和压力源，三维运动机构牵引成形台进行空间三维运动，协调控制成形台运动与供料启停，三维运动机构的XY轴所在的平面与成形台的承接材料工作面平行，使成形台在XY平面内运动，用于接收成形支架；按照喷头装置的出料口轴向与三维运动机构的Z轴方向平行的形式，将喷头装置进行安装，使喷头装置能随Z轴进行运动，喷头装置能同时提供两种材料的输出，在成形台上能实现两种材料同时挤出成形。作为本专利技术优选的技术方案，喷头装置包括旋转控制电机、料筒安装台、料筒和并列式双针头，两个料筒分别和并列式双针头的不同针头对应连通，料筒固定安装在料筒安装台上，旋转控制电机能控制整个喷头装置在平行于成形台的承接材料工作面的平面上进行旋转。优选上述料筒可装卸地固定安装于料筒安装台上。上述的控制及数据处理系统优选包括一个计算机系统联接一个控制系统，优选控制系统用于分别控制喷头装置、三维运动机构的电机以及压力源。一种利用本专利技术成形系统进行生物3D打印成形方法，包括如下步骤：a.配制成形材料水凝胶A、成形材料水凝胶B及牺牲水凝胶，将三种材料分别装入不同的料筒中；b.采用生物3D打印成形装置，然后将装有成形材料水凝胶A和牺牲水凝胶的两个料筒分别安装到料筒安装台上，将两个料筒的一端分别通过气管与连接压力源，将两个料筒的另一端分别通过软管与并列式双针头连通，构成浆料的挤出输送管路；c.再通过控制及数据处理系统分别控制三维运动机构和压力源，设置打印角度θ＝0°为并列式双针头的投影在成形台的承接材料工作面上的初始位置，并控制旋转控制电机调整打印角度θ＝90°，使并列式双针头旋转90°，使成形材料水凝胶A和牺牲水凝胶分别通过并列式双针头挤出并按照设定的收集堆积形式，在成形台上按照加工路径打印成支架材料层，完成骨层支架的打印；优选通过控制牺牲水凝胶的打印路径，控制成形材料水凝胶纤维间距与复合组织工程骨软骨支架的形态；d.然后停止骨层支架的打印过程，再控制旋转控制电机，调整打印角度θ＝0°，并将装载牺牲水凝胶的料筒更换为装载成形材料水凝胶B的料筒，使在步骤c中使用的牺牲水凝胶替换为成形材料水凝胶B，使成形材料水凝胶A和成形材料水凝胶B分别通过并列式双针头挤出，并按照设定的收集堆积形式，按加工路径打印完成过渡层；e.然后控制旋转控制电机，调整打印角度θ＝90°，并将装载成形材料水凝胶A的料筒更换为装载牺牲水凝胶的料筒，使在步骤d中使用的成形材料水凝胶A替换为牺牲水凝胶，使成形材料水凝胶B和牺牲水凝胶分别通过并列式双针头挤出，并按照设定的收集堆积形式，按加工路径打印完成软骨层，得到依次堆叠形成具有支架材料层-过渡层-软骨层复合结构的组织工程骨软骨支架；优选通过控制牺牲水凝胶的打印路径，控制成形材料水凝胶纤维间距与复合组织工程骨软骨支架的形态；f.最后，使用交联剂交联在步骤e中制备的整个组织工程骨软骨支架，并去除组织工程骨软骨支架中的牺牲水凝胶，制备出具有材料梯度的复合组织工程骨软骨支架。作为本专利技术优选的技术方案，在步骤a中，配制质量百分比为12～15％的明胶水溶液，向明胶水溶液中加入海藻酸钠溶液混合均匀，配制成形材料水凝胶B，得到明胶-海藻酸钠混合溶液，作为软骨层材料；或者向明胶水溶液中加入mTG酶预交联，配制成形材料水凝胶B，得到明胶预交联溶液，作为软骨层材料；或者向明胶水溶液中加入海藻酸钠溶液和软骨细胞进行混合均匀，配制成形材料水凝胶B，得到分散软骨细胞的明胶-海藻酸钠混合溶液，作为软骨层材料。作为本专利技术优选的技术方案，在步骤a中，配制质量百分比为不高于20％的明胶水溶液，向明胶水溶液中加入壳聚糖溶液混合均匀，配制成形材料水凝胶A，得到明胶-壳聚糖混合溶液，作为骨层材料；或者向明胶水溶液中加入壳聚糖溶液，并加入羟基磷灰石，配制成形材料水凝胶A，得到明胶-壳聚糖-羟基磷灰石混合溶液，作为骨层材料；或者向明胶水溶液中加入壳聚糖溶液，并加入羟基磷灰石和成骨细胞，配制成形材料水凝胶A，得到分散成骨细胞的明胶-壳聚糖-羟基磷灰石混合溶液，作为骨层材料。作为本专利技术优选的技术方案，在步骤a中，配制质量百分比浓度不高于30％的F127水溶液作为牺牲材料；或者配制质量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备组织工程骨软骨支架的成形系统，其特征在于：主要由三维运动机构(1)、喷头装置(2)、压力源(3)、控制及数据处理系统(4)和成形台(5)组成；所述喷头装置(2)主要包括所述料筒(8)和并列式双针头(9)；采用气动挤出成形工艺装置，所述压力源(3)通过气管与料筒(8)连通，所述料筒(8)再通过软管与并列式双针头(9)连通，构成浆料的挤出输送管路；所述控制及数据处理系统(4)分别通过数据线连接三维运动机构(1)和压力源(3)，所述三维运动机构(1)牵引成形台(5)进行空间三维运动，协调控制成形台(5)运动与供料启停，所述三维运动机构(1)的XY轴所在的平面与成形台(5)的承接材料工作面平行，使成形台(5)在XY平面内运动，用于接收成形支架；按照所述喷头装置(2)的出料口轴向与所述三维运动机构(1)的Z轴方向平行的形式，将喷头装置(2)进行安装，使喷头装置(2)能随Z轴进行运动，所述喷头装置(2)能同时提供两种材料的输出，在成形台(5)上能实现两种材料同时挤出成形。

【技术特征摘要】
1.一种用于制备组织工程骨软骨支架的成形系统，其特征在于：主要由三维运动机构(1)、喷头装置(2)、压力源(3)、控制及数据处理系统(4)和成形台(5)组成；所述喷头装置(2)主要包括所述料筒(8)和并列式双针头(9)；采用气动挤出成形工艺装置，所述压力源(3)通过气管与料筒(8)连通，所述料筒(8)再通过软管与并列式双针头(9)连通，构成浆料的挤出输送管路；所述控制及数据处理系统(4)分别通过数据线连接三维运动机构(1)和压力源(3)，所述三维运动机构(1)牵引成形台(5)进行空间三维运动，协调控制成形台(5)运动与供料启停，所述三维运动机构(1)的XY轴所在的平面与成形台(5)的承接材料工作面平行，使成形台(5)在XY平面内运动，用于接收成形支架；按照所述喷头装置(2)的出料口轴向与所述三维运动机构(1)的Z轴方向平行的形式，将喷头装置(2)进行安装，使喷头装置(2)能随Z轴进行运动，所述喷头装置(2)能同时提供两种材料的输出，在成形台(5)上能实现两种材料同时挤出成形。2.根据权利要求1所述用于制备组织工程骨软骨支架的成形系统，其特征在于：所述喷头装置(2)包括旋转控制电机(6)、料筒安装台(7)、料筒(8)和所述并列式双针头(9)，两个料筒(8)分别和所述并列式双针头(9)的不同针头对应连通，所述料筒(8)固定安装在料筒安装台(7)上，旋转控制电机(6)能控制整个喷头装置(2)在平行于成形台(5)的承接材料工作面的平面上进行旋转。3.根据权利要求2所述用于制备组织工程骨软骨支架的成形系统，其特征在于：所述料筒(8)能可装卸地固定安装于料筒安装台(7)上。4.根据权利要求1～3中任意一项所述用于制备组织工程骨软骨支架的成形系统，其特征在于：所述控制及数据处理系统(4)包括一个计算机系统联接一个控制系统，控制系统用于分别控制喷头装置(2)、三维运动机构(1)的电机以及压力源(3)。5.一种利用权利要求1所述用于制备组织工程骨软骨支架的成形系统，进行生物3D打印成形方法，其特征在于,包括如下步骤：a.配制成形材料水凝胶A、成形材料水凝胶B及牺牲水凝胶，将三种材料分别装入不同的料筒(8)中；b.然后将装有成形材料水凝胶A和牺牲水凝胶的两个料筒(8)分别安装到料筒安装台(7)上，将两个料筒(8)的一端分别通过气管与连接压力源(3)，将两个料筒(8)的另一端分别通过软管与并列式双针头(9)连通，构成浆料的挤出输送管路；c.再通过控制及数据处理系统(4)分别控制三维运动机构(1)和压力源(3)，设置打印角度θ＝0°为并列式双针头(9)的投影在成形台(5)的承接材料工作面上的初始位置，并控制旋转控制电机(6)调整打印角度θ＝90°，使并列式双针头(9)旋转90°，使成形材料水凝胶A和牺牲水凝胶分别通...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡庆夕，吴剑平，李帅，谢明亮，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31