一种负载软骨细胞抗炎半月板支架的生物三维打印制备方法技术

本发明专利技术涉及生物三维打印半月板支架领域，具体为一种负载软骨细胞抗炎半月板支架的生物三维打印制备方法，该负载软骨细胞抗炎半月板支架的生物三维打印制备方法，能够很好的模仿半月板组织的三维宏观形态，内部微观胶原纤维和多孔隙结构，利于细胞的生长与营养物质的交换，促进半月板组织再生。选择聚己内酯打印半月板支架的框架结构，为关节支撑提供了足够的力学。同时负载了软骨细胞，避免了打印支架后体外细胞培养的操作；负载了富勒烯材料，使该支架具有抗炎的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种负载软骨细胞抗炎半月板支架的生物三维打印制备方法
本专利技术涉及生物三维打印半月板支架领域，具体为一种负载软骨细胞抗炎半月板支架的生物三维打印制备方法。
技术介绍
现如今，半月板损伤已经是一种很常见疾病。在美国，每年有超过100万人接受半月板手术治疗。半月板作为软骨组织，缺乏血供导致其自愈合能力较差。对于严重损伤的半月板，临床通常采用半月板切除的治疗方法。尽管半月板切除术具有短期疗效好、功能恢复快等优点，但是半月板切除后再生半月板的质量不能行使正常半月板的生物力学功能，远期将不可避免地加重关节软骨退变。同种异体的半月板移植可以替代缺失的半月板，但供体来源非常有限，远不能满足临床需求。随着组织工程技术和材料学的发展，制备人工半月板支架为半月板修复提供了一种新的治疗模式。制备人工半月板支架的常用组织工程技术为静电纺丝，浇筑成型等。这些方法制备的半月板支架虽然外观尺寸与半月板组织一致，但是却很难实现半月板微观的结构仿生。单纯的利用材料制备成的半月板支架让细胞很难粘附、增殖和迁移，这并不利于半月板的修复。类似半月板微观的有序排列的胶原纤维结构、足够的孔隙结构不仅对于半月板支架的力学性能具有重要意义，同时对于半月板修复更是极其关键。三维打印技术的发展为组织工程的修复带来了新的希望，尤其它具备可以自由控制支架微观结构与孔隙结构的优点，为真正意义上的半月板结构仿生提供了可能。然而，当前利用三维打印制备的半月板支架仅仅是将把单纯的材料按照半月板宏观结构进行三维模型构建，却并不包含细胞。作为组织工程的重要要素之一，软骨细胞是半月板组织的主要组成部分，它对于半月板的修复具有重要意义。利用三维打印制备组织工程半月板支架，前期的方式是首先三维打印得到不包含细胞的支架材料，然后直接植入用于半月板修复；后期的改进方式是将不包含细胞的支架材料在体外种植上软骨细胞后，然后体外培养待软骨细胞长入支架后再进行植入。前者因为支架不负载软骨细胞，修复结果不良；而后者由于需要长期的体外培养细胞，不利于操作。本专利技术拟通过采用生物三维打印技术，打印可降解聚己内酯材料作为半月板框架结构，与此同时打印负载有软骨细胞的水凝胶填充在半月板框架结构的孔隙中。同时生物三维打印得到负载软骨细胞的半月板支架，实现了支架与细胞的完美结合。半月板损伤通常会给关节带来较为严重的非感染性炎症反应，而这种炎症反应会成为半月板修复的一个重要不利因素。在制备半月板支架的同时兼顾抗炎的需求对于半月板修复也同样重要。而且，目前尚未有可以具备抗炎作用的半月板支架的报道或者应用。本专利技术拟通过负载软骨细胞的同时在水凝胶中置入可抗炎的富勒烯材料，最终生物三维打印得到负载软骨细胞且兼顾抗炎作用的半月板支架，为临床应用提供了新的治疗方案。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种负载软骨细胞抗炎半月板支架的生物三维打印制备方法。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种负载软骨细胞抗炎半月板支架的生物三维打印制备方法，该负载软骨细胞抗炎半月板支架的生物三维打印制备方法，包括以下步骤：S1、构建半月板三维模型：一、数据扫描：首先使用三维扫描电镜对患者健康一侧的膝关节进行扫描，然后将扫描所获得的原始数据，存入数据库；二、数据处理：将步骤一中所存入的患者健康侧的膝关节模型，通过生物三维打印机软件进行分割以及编辑处理，获得该膝关节半月板外侧或内侧的三维模型，然后通过对半月板三维模型进行镜像处理，获得适用于患者缺损侧的半月板三维模型，然后对镜像处理所得的半月板三维模型进行局部修正以及曲面化处理；三、数据的保存：将步骤二中数据处理完成后的缺损侧的半月板三维模型进行保存，从而按照模型进行生物三维打印半月板，其中保存格式为stl格式文件。S2、构建半月板二维模型：一、三维模型的处理：将S1步骤中构建完成的半月板三维模型进行切片分层处理，从而形成打印聚己内酯材料的打印路径以及打印负载富勒烯和软骨细胞的水凝胶材料的打印路径等两个打印路径；二、二维模型的构成：将步骤一的两个打印路径分别保存为二维数据模型后，等待下一步骤；S3、打印材料的制备：一、材料的选取：材料的选取：量取适量的软骨细胞悬液、富勒烯、胶原蛋白、海藻酸钠以及DMEM培养基；二、材料的混合：将步骤一中的胶原蛋白和海藻酸钠加入DMEM培养基中，进行搅拌溶解，从而获得水凝胶溶液，将步骤1中富勒烯适量的加入至混合获得的水凝胶溶液内部，搅拌均匀后，获得富勒烯复合水凝胶，等待下一步骤；三、材料的过滤：将步骤二中获得的富勒烯复合水凝胶通过过滤器进行过滤除菌处理，处理完成后，等待下一步骤；四、软骨细胞与富勒烯复合水凝胶的制备：将步骤一中的适量软骨细胞悬液加入至步骤三中获得的过滤除菌后的无菌富勒烯复合水凝胶内，进行搅拌混合，从而获得软骨细胞与富勒烯复合水凝胶。S4、负载软骨细胞抗炎半月板支架的打印：一、打印材料的添加：将S3步骤中获得的软骨细胞与富勒烯复合水凝胶打印材料以及聚己内酯材料分别加入至生物三维打印机的两个相对应的料筒内部；二、半月板支架的打印：使用生物三维打印机通过两个料筒内部的打印材料对照S2步骤中相对应的聚己内酯材料的打印路径以及打印负载富勒烯和软骨细胞的水凝胶材料的打印路径等二维数据模型分别进行三维打印，从而获得负载软骨细胞抗炎半月板支架，等待下一步骤；S5、负载软骨细胞抗炎半月板支架的培养：一、培养溶液的选取：量取适量的氯化钙溶液以及培养基，且将S4步骤中所获得的负载软骨细胞抗炎半月板支架放置在氯化钙溶液的内部进行交联处理；二、半月板支架的培养：将由步骤一中交联完成后的负载软骨细胞抗炎半月板支架放入培养基中进行持续培养。优选的，所述S2步骤中的聚己内酯材料的打印路径和负载富勒烯和软骨细胞的水凝胶材料的打印路径为层层相互交叉设置或同层并列设置。优选的，所述S3中步骤二的水凝胶溶液的胶原蛋白的浓度为0.1％-0.3％，其海藻酸钠的浓度为0.2％-0.5％，其中混合温度调节为40℃。优选的，所述S3中步骤二的富勒烯复合水凝胶的富勒烯浓度为1％-5％，搅拌温度调节为40℃。优选的，所述S3中步骤三的过滤器为0.22微米过滤器。优选的，所述S3中步骤四的软骨细胞与富勒烯复合水凝胶的软骨细胞浓度为1x106-5x106个/mL，搅拌温度为37℃，且搅拌速率为低速，其中软骨细胞与富勒烯复合水凝胶的混合过程为无菌。优选的，所述S4步骤中聚己内酯打印材料的料筒温度为100-150℃，软骨细胞与富勒烯复合水凝胶打印材料的料筒温度为25-37℃，其中不同的料筒对应不同的打印头。优选的，所述打印头的直径为150-400μm，其中打印过程中聚己内酯打印材料的料筒气压为600-1000KPa、软骨细胞与富勒烯复合水凝胶打印材料料筒气压为50-100KPa，层高为150-400μm。优选的，所述S4步骤中的生物三维打印机腔内为无菌环境，且温度为25-37℃。优选的，所述S5步骤中的氯化钙溶液为经过过滤除菌的无菌氯化钙溶液，其浓度为2％-5％，温度为25-37℃，所述负载软骨细胞抗炎半月板支架和氯化钙溶液的交联处理时间为5-10min。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：该负载软骨细胞抗炎半月板支架的生物三维打印制备方法，能够很好的模仿半月板本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负载软骨细胞抗炎半月板支架的生物三维打印制备方法，其特征在于：该负载软骨细胞抗炎半月板支架的生物三维打印制备方法，包括以下步骤：S1、构建半月板三维模型：一、数据扫描：首先使用三维扫描电镜对患者健康一侧的膝关节进行扫描，然后将扫描所获得的原始数据，存入数据库；二、数据处理：将步骤一中所存入的患者健康侧的膝关节模型，通过生物三维打印机软件进行分割以及编辑处理，获得该膝关节半月板外侧或内侧的三维模型，然后通过对半月板三维模型进行镜像处理，获得适用于患者缺损侧的半月板三维模型，然后对镜像处理所得的半月板三维模型进行局部修正以及曲面化处理；三、数据的保存：将步骤二中数据处理完成后的缺损侧的半月板三维模型进行保存，从而按照模型进行生物三维打印半月板，其中保存格式为stl格式文件。S2、构建半月板二维模型：一、三维模型的处理：将S1步骤中构建完成的半月板三维模型进行切片分层处理，从而形成打印聚己内酯材料的打印路径以及打印负载富勒烯和软骨细胞的水凝胶材料的打印路径等两个打印路径；二、二维模型的构成：将步骤一的两个打印路径分别保存为二维数据模型后，等待下一步骤；S3、打印材料的制备：一、材料的选取：材料的选取：量取适量的软骨细胞悬液、富勒烯、胶原蛋白、海藻酸钠以及DMEM培养基；二、材料的混合：将步骤一中的胶原蛋白和海藻酸钠加入DMEM培养基中，进行搅拌溶解，从而获得水凝胶溶液，将步骤1中富勒烯适量的加入至混合获得的水凝胶溶液内部，搅拌均匀后，获得富勒烯复合水凝胶，等待下一步骤；三、材料的过滤：将步骤二中获得的富勒烯复合水凝胶通过过滤器进行过滤除菌处理，处理完成后，等待下一步骤；四、软骨细胞与富勒烯复合水凝胶的制备：将步骤一中的适量软骨细胞悬液加入至步骤三中获得的过滤除菌后的无菌富勒烯复合水凝胶内，进行搅拌混合，从而获得软骨细胞与富勒烯复合水凝胶。S4、负载软骨细胞抗炎半月板支架的打印：一、打印材料的添加：将S3步骤中获得的软骨细胞与富勒烯复合水凝胶打印材料以及聚己内酯材料分别加入至生物三维打印机的两个相对应的料筒内部；二、半月板支架的打印：使用生物三维打印机通过两个料筒内部的打印材料对照S2步骤中相对应的聚己内酯材料的打印路径以及打印负载富勒烯和软骨细胞的水凝胶材料的打印路径等二维数据模型分别进行三维打印，从而获得负载软骨细胞抗炎半月板支架，等待下一步骤；S5、负载软骨细胞抗炎半月板支架的培养：一、培养溶液的选取：量取适量的氯化钙溶液以及培养基，且将S4步骤中所获得的负载软骨细胞抗炎半月板支架放置在氯化钙溶液的内部进行交联处理；二、半月板支架的培养：将由步骤一中交联完成后的负载软骨细胞抗炎半月板支架放入培养基中进行持续培养。...

【技术特征摘要】
1.一种负载软骨细胞抗炎半月板支架的生物三维打印制备方法，其特征在于：该负载软骨细胞抗炎半月板支架的生物三维打印制备方法，包括以下步骤：S1、构建半月板三维模型：一、数据扫描：首先使用三维扫描电镜对患者健康一侧的膝关节进行扫描，然后将扫描所获得的原始数据，存入数据库；二、数据处理：将步骤一中所存入的患者健康侧的膝关节模型，通过生物三维打印机软件进行分割以及编辑处理，获得该膝关节半月板外侧或内侧的三维模型，然后通过对半月板三维模型进行镜像处理，获得适用于患者缺损侧的半月板三维模型，然后对镜像处理所得的半月板三维模型进行局部修正以及曲面化处理；三、数据的保存：将步骤二中数据处理完成后的缺损侧的半月板三维模型进行保存，从而按照模型进行生物三维打印半月板，其中保存格式为stl格式文件。S2、构建半月板二维模型：一、三维模型的处理：将S1步骤中构建完成的半月板三维模型进行切片分层处理，从而形成打印聚己内酯材料的打印路径以及打印负载富勒烯和软骨细胞的水凝胶材料的打印路径等两个打印路径；二、二维模型的构成：将步骤一的两个打印路径分别保存为二维数据模型后，等待下一步骤；S3、打印材料的制备：一、材料的选取：材料的选取：量取适量的软骨细胞悬液、富勒烯、胶原蛋白、海藻酸钠以及DMEM培养基；二、材料的混合：将步骤一中的胶原蛋白和海藻酸钠加入DMEM培养基中，进行搅拌溶解，从而获得水凝胶溶液，将步骤1中富勒烯适量的加入至混合获得的水凝胶溶液内部，搅拌均匀后，获得富勒烯复合水凝胶，等待下一步骤；三、材料的过滤：将步骤二中获得的富勒烯复合水凝胶通过过滤器进行过滤除菌处理，处理完成后，等待下一步骤；四、软骨细胞与富勒烯复合水凝胶的制备：将步骤一中的适量软骨细胞悬液加入至步骤三中获得的过滤除菌后的无菌富勒烯复合水凝胶内，进行搅拌混合，从而获得软骨细胞与富勒烯复合水凝胶。S4、负载软骨细胞抗炎半月板支架的打印：一、打印材料的添加：将S3步骤中获得的软骨细胞与富勒烯复合水凝胶打印材料以及聚己内酯材料分别加入至生物三维打印机的两个相对应的料筒内部；二、半月板支架的打印：使用生物三维打印机通过两个料筒内部的打印材料对照S2步骤中相对应的聚己内酯材料的打印路径以及打印负载富勒烯和软骨细胞的水凝胶材料的打印路径等二维数据模型分别进行三维打印，从而获得负载软骨细胞抗炎半月板支架，等待下一步骤；S5、负载软骨细胞抗炎半月板支架的培养：一、培养溶液的选取：量取适量的氯化钙溶液以及培养基，且将S4步骤中所获得的负载...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔之光，孙彬彬，戴尅戎，刘永佳，倪兵，王友，
申请(专利权)人：上海交通大学医学院附属第九人民医院，
类型：发明
国别省市：上海,31