用于制备具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于制备具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架的方法，包括：确定三维生物支架的螺旋结构的微型貌；采用电流体喷射打印的方式制备具有确定的微型貌的螺旋结构；选择纤维单元中的螺旋结构的层数，从而确定所述纤维单元的结构渐变特性；根据确定的结构渐变特性，逐层地生成纤维单元中的螺旋结构，并且使得螺旋结构的螺旋程度逐层降低，以致纤维单元的结构从底部的螺旋型渐变为顶部的直线型。此外，还公开了实现上述方法的装置。根据本发明专利技术的方法和装置制备的三维生物支架具有可控的多尺寸结构、孔隙率以及纤维直径，并且其内部结构为渐变式螺旋复合结构，因而更有利于接种细胞后的细胞吸附以及细胞培养过程中的分化与增殖。

【技术实现步骤摘要】
用于制备具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架的方法及装置
本专利技术涉及三维生物支架技术，特别是涉及用于制备具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架的方法及装置。
技术介绍
三维生物支架技术在三维细胞培养中具有重要的应用。三维细胞培养技术是指将具有三维结构的载体与各种不同种类的细胞在体外共同培养，使细胞能够在载体的三维立体空间结构中迁移、生长，构成三维的细胞-载体复合物。普通的细胞培养由于细胞在体外改变的环境下增生逐渐丧失了原有的性状，往往和体内情况不相符，而动物实验完全在体内进行，但由于体内的多种因素制约以及体内和外界环境相互影响而变得复杂化，难以研究单一过程，且难以研究中间过程。三维细胞培养技术是介于单层细胞培养与动物实验之间的一种技术，既能最大程度的模拟体内环境，又能展现细胞培养的直观性及条件可控性的优点。为了成功达到真正意义上的三维生物培养，三维生物支架需要具备一些重要特征。其一是支架必须有连通的多孔结构以利于细胞的长入和物质的传输。细胞的长入对于新生组织的形成起着关键作用；另外，需要营养物质和氧气能够传输到支架内部，并且也需要代谢产物以及支架材料的降解产物能够有效地排出。其二是支架需要具备与具体应用相匹配的力学性能。不同的组织所对应的支架的力学性能不尽相同，这就需要考虑力学性能的匹配。其三是支架材料需要具有良好的生物相容性和降解性，以避免引起免疫反应。因此采用何种工艺及设备可以制得结构精确批次差异小的三维细胞培养支架或组织工程支架，成为了亟待解决的问题。并且，在如何控制支架的孔隙大小与机械性能，如何控制支架与生物系统的相互作用即实现细胞的浸润性生长等方面，都是需要在该技术应用到真正实用的生物医学中之前所需要研究的问题。
技术实现思路
基于此，有必要针对现有三维生物支架技术存在的局限性和缺点，提供用于制备具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架的方法及装置。该方法及装置运用静电场纺丝的原理，通过调整打印过程中控制参数，能够打印出具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架。根据该方法及装置制备的具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架为三维细胞培养技术以及组织工程支架提供了一种新的选择。该三维生物支架具有可控的多尺寸结构、孔隙率以及纤维直径，其内部结构具有渐变式螺旋复合结构的特质，因而更有利于接种细胞后的细胞吸附以及细胞培养过程中的分化与增殖，可应用于体外三维细胞培养载体，以及药物筛选等方面。根据本专利技术的一个方面，提供了一种用于制备具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架的方法，所述三维生物支架包括具有多层的螺旋结构的纤维单元，所述方法包括以下步骤：设定或调整结构参数，确定所述三维生物支架的所述螺旋结构的微型貌；根据确定的所述微型貌，采用电流体喷射打印的方式制备具有确定的所述微型貌的螺旋结构；选择所述三维生物支架的所述纤维单元中的所述螺旋结构的层数，从而确定所述纤维单元的结构渐变特性；根据确定的所述纤维单元的结构渐变特性，逐层地生成所述纤维单元中的所述螺旋结构，并且使得所述螺旋结构的螺旋程度逐层降低，以致所述纤维单元的结构从底部的螺旋型渐变为顶部的直线型。在其中一个实施例中，所述微型貌包括正弦波形、相邻圆圈形和相离圆圈形。在其中一个实施例中，确定所述螺旋结构的微型貌包括确定所述三维生物支架的所述纤维单元中的多层的螺旋结构中的最底层的螺旋结构的微型貌。在其中一个实施例中，所述方法还包括：制备用于形成所述三维生物支架的聚己内酯溶液。在其中一个实施例中，所述方法还包括：生成具有不同尺寸的多个纤维单元。根据本专利技术的用于制备具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架的方法，通过精确控制多孔组织工程支架中的结构参数，能够制造出具有渐变式螺旋复合结构的、多尺寸纤维单元(小到几个微米尺寸，大到几十个微米尺寸)的三维生物支架。制造所用的聚己内酯(PCL)材料具有良好的生物相容性和降解性，能满足三维生物培养支架、组织工程支架所需的性能要求。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种用于制备具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架的装置，所述装置包括：物料供给单元，其包括储料容器、喷针装置和泵送装置，所述泵送装置适于将存储在所述储料容器中的物料通过所述喷针装置喷射出；高压电源，其适于产生高压静电场，从所述喷针装置喷射出的物料在所述高压静电场的作用下形成物料细丝，所述物料细丝适于形成所述螺旋结构；三轴运动平台，其包括多个第一直线电机和载物台，所述多个第一直线电机适于驱动所述载物台在三维空间中的移动；基板，其放置在所述载物台上并且位于所述喷针装置的下方，适于收集所述物料细丝；恒温恒湿箱，所述物料供给单元、所述三轴运动平台和所述基板放置在所述恒温恒湿箱内，所述恒温恒湿箱适于提供恒温恒湿环境；控制器，其配置为接收用户输入控制所述泵送装置、所述高压电源和所述三轴运动平台的运行，并且还配置为在制备所述三维生物支架前设定控制参数，以及在制备所述三维生物支架的过程中调整所述控制参数。优选地，调整所述控制参数包括：改变所述载物台的运动速度；改变所述高压电源的电压值；改变物料供给单元的供给速率；改变所述喷针装置和所述基板之间的距离。在其中一个实施例中，所述基板为抛光硅晶体基片。在其中一个实施例中，所述物料为聚己内酯溶液。在其中一个实施例中，所述装置还包括第二直线电机，所述喷针装置固定至所述第二直线电机，所述第二直线电机适于接受所述控制器的控制，驱动所述喷针装置在竖直方向上作直线运动。根据本专利技术的上述方法和装置制备的具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架有利于不同尺寸的细胞在接种打印时的吸附，且有利于细胞在后续生长时于生物支架上的增殖。并且，该具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架具有合适于细胞生长的孔隙率(例如，孔隙率在60％-70％之间)、较大的接触面积和良好的孔径连通性，有利于细胞外基质的分泌和形成，以及培养液的正常灌注，为细胞后续的生长、分化和增值提供良好的环境。此外，制造该三维生物支架所用的材料(例如，聚己内酯)具有良好的生物相容性，不干扰机体的免疫机制，不引起免疫排斥反应。附图说明图1为根据本专利技术的一个实施例的用于制备具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架的方法的流程图；图2展示了渐变式螺旋复合结构的底层微型貌的种类以及其对应的支架微型貌在光学显微镜下的图像；图3为根据本专利技术的一个实施例的用于制备具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架的装置的结构示意图；图4A-4B分别为根据本专利技术的一个实施例制备的具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架在扫描电子显微镜下的俯视图和侧视图；图5展示了分别使用直线型三维生物支架以及具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架培养贴壁细胞，在第一天和第三天经过荧光染色后在共聚焦显微镜下的图像。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术。但是本专利技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似改进，因此本专利技术不受下面公开的具体实施的限制。图1所示为根据本专利技术的一个实施例的用于制备具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架的方法的流程图。三维生物支架包括具有多层的螺旋结构的纤维单元，该纤维单元的结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制备具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架的方法，所述三维生物支架包括具有多层的螺旋结构的纤维单元，所述方法包括以下步骤：设定或调整结构参数，确定所述三维生物支架的所述螺旋结构的微型貌；根据确定的所述微型貌，采用电流体喷射打印的方式制备具有确定的所述微型貌的螺旋结构；选择所述三维生物支架的所述纤维单元中的所述螺旋结构的层数，从而确定所述纤维单元的结构渐变特性；根据确定的所述纤维单元的结构渐变特性，逐层地生成所述纤维单元中的所述螺旋结构，并且使得所述螺旋结构的螺旋程度逐层降低，以致所述纤维单元的结构从底部的螺旋型渐变为顶部的直线型。

【技术特征摘要】
1.一种用于制备具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架的方法，所述三维生物支架包括具有多层的螺旋结构的纤维单元，所述方法包括以下步骤：设定或调整结构参数，确定所述三维生物支架的所述螺旋结构的微型貌；根据确定的所述微型貌，采用电流体喷射打印的方式制备具有确定的所述微型貌的螺旋结构；选择所述三维生物支架的所述纤维单元中的所述螺旋结构的层数，从而确定所述纤维单元的结构渐变特性；根据确定的所述纤维单元的结构渐变特性，逐层地生成所述纤维单元中的所述螺旋结构，并且使得所述螺旋结构的螺旋程度逐层降低，以致所述纤维单元的结构从底部的螺旋型渐变为顶部的直线型。2.根据权利要求1所述的用于制备具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架的方法，其特征在于，所述微型貌包括正弦波形、相邻圆圈形和相离圆圈形。3.根据权利要求1所述的用于制备具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架的方法，其特征在于，确定所述螺旋结构的微型貌包括确定所述三维生物支架的所述纤维单元中的多层的螺旋结构中的最底层的螺旋结构的微型貌。4.根据权利要求1所述的用于制备具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架的方法，其特征在于，所述方法还包括：制备用于形成所述三维生物支架的聚己内酯溶液。5.根据权利要求1所述的用于制备具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架的方法，其特征在于，所述方法还包括：生成具有不同尺寸的多个纤维单元。6.一种用于制备具有渐变式螺旋复合结构的三维生物支架的装置，所述三维生物支架包括具有多层的螺旋结构的纤维单元，所述装置包括：物料供给单元，其包括储料容器、喷针装置和泵送装置，所述泵送装置适于将存储在所述储料容器中的物料通过所述喷针装置喷射出；高压电源，其适于产生高压静电场，从所述喷针装置喷射出的物料在所述高压静电场的作用下形成物料细丝，所述物料细丝适于形成所述螺旋结构；三轴运动平台，其包括多个第一直线电机和载物台，所述多个第...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙捷，王丹丹，刘航，王漪波，王翼，
申请(专利权)人：苏州工业园区新国大研究院，新加坡国立大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32