一种组装生物微组织制造技术

针对现代社会疾病频发，许多病人的多种组织和器官在病痛侵袭下面临不同程度的衰竭，临床病变组织和器官的修复和更换的需求不断增加，人工组织器官再造已成为刻不容缓的需解决问题。而本发明专利技术一种组装生物微组织，针对组织工程领域，通过使用不同材料制作出孔隙率和结构不同且能够负载多种细胞的涂覆水凝胶的分层支架，可以模拟特定生物组织的组成，并人为可控的进行组装成型，实现生物体外的细胞和活体组织的三维培养，为组织工程和人工器官修复再造提供了潜在的解决手段。

An Assembled Biological Microstructure

In view of the frequent occurrence of diseases in modern society, many patients'various tissues and organs are facing different degrees of failure under the invasion of pain. The demand for the repair and replacement of clinically diseased tissues and organs is increasing. Artificial tissue and organ reconstruction has become an urgent problem to be solved. In the field of tissue engineering, by using different materials to make layered hydrogel-coated scaffolds with different porosity and structure and can load multiple cells, the invention can simulate the composition of specific biological tissues, and can be manually assembled and moulded to realize three-dimensional culture of cells and living tissues outside the organism, for tissue engineering and in vivo. Artificial organ repair and reconstruction provides a potential solution.

【技术实现步骤摘要】
一种组装生物微组织
本专利针对组织工程和医学修复领域，通过使用不同材料制作出孔隙率和结构不同且能够负载多种细胞的可涂覆水凝胶的分层支架，可以模拟特定生物组织的组成，并人为可控的进行组装成型，实现生物体外的细胞和活体组织的三维培养，为组织工程和人工器官再造等提供了新的手段。
技术介绍
随着经济的发展，生活节奏的加快，现代社会疾病频发，许多病人的多种组织和器官在病痛侵袭下面临不同程度的衰竭，临床病变组织和器官的修复和更换的需求不断增加，人工组织的修复和再造已成为刻不容缓的需解决问题。临床上，对于发生病变的组织和器官，首要原则是尽一切可能进行自体治疗和修复，并恢复组织和器官原有的功能；但如果病变程度已经不可逆转且不能维持病人的基本生命活动，则需使用组织工程学的方法，对病变组织和器官进行更换，提升病人的生活质量和存活率。生物再造是近年来发展起的新兴应用技术。目前，除了脑以外,几乎所有人体器官和组织都有相应的人工生物制品。虽然大多数制品还不是完全性的人造器官和组织,尚不具备取代脏器的所有功能,而且在大小和寿命方面也还不能与天然器官相比。但随着现代医学的飞速发展,人造器官和组织的作用越来越重要。生物3D打印技术是一种以活细胞等为原料进行活体组织打印的技术，目前已经在主动脉瓣、种植手术导板、人工下颚、牙齿、心脏瓣膜等领域得到应用。利用生物3D打印，可将以生物体内干细胞经过体外诱导分化后的获得的活细胞为原料，或是采用生物相容性高的高分子材料，直接打印制造活体器官组织，由于病变组织的修复和替换，解决临床上移植供体不足等问题。本专利采用电脑三维建模、3D打印和体外培养的方法，分层制备孔隙率和结构不同，涂覆水凝胶后能供细胞黏附、增殖、迁移的支架，然后进行活体组织的仿生组装成型。按照具体的组织或器官的细胞类型组成要求，可人为改变该片层模支架的内部结构和负载的细胞，进行体外培养后，在支架结构的外层包裹上水凝胶，既可以提高片层膜支架的力学性能，同时又可以为细胞的生存提供更好的外部环境。本专利为临床医学组织和器官移植供体再造提供了一种潜在的解决手段。
技术实现思路
本专利通过生物3D打印方法，制备出能够进行不同细胞培养的分层支架，通过电脑编程设计，其内部具有不同孔洞结构和孔隙率。当在膜上接种好细胞，并进行初步培养后，再将负载不同细胞的片层模支架进行组装成型，同时在外层均匀涂覆上薄薄一层水凝胶，持续进行培养，直至其长成具有生物功能的组织，用于生物体的组织器官修复和再造。为实现上述的目的，本专利使用的新型技术方案是：利用生物3D打印技术制备分层支架，支架的内部结构和孔隙率可控，将细胞在支架上进行培养后，再将铺满细胞的片层膜支架封装在水凝胶中进行持续培养，直至活体微组织的出现。1)底层膜支架采用聚己内酯(PCL)为基材，通过电脑编程，利用3D打印手段，将聚己内酯有序打印成丝，丝直径范围在10-100μm之间，并控制支架的内部孔径在1-10μm之间。聚己内酯在人体内不易降解，能对微组织结构起到稳定支撑作用。2)中层膜支架采用聚乳酸-醇酸共聚物(PLGA，分子量为30万)为基材，与上层膜支架不同的分子量可以保证材料在适当的条件下逐步发生降解。将聚乳酸-醇酸共聚物进行三维打印成型，丝直径范围在10μm-100μm之间，通过电脑编程，控制支架单向有序排列。相比于底层膜支架，单向有序的支架能对细胞的生长和迁移有更大的诱导作用，对培养天然组织中有序生长的细胞有重大意义。3)上层膜支架采用聚乳酸-醇酸共聚物(PLGA，分子量为10万)为基材，较小的分子量可以保证材料在适当的条件下开始迅速降解。使用静电纺丝技术将聚乳酸-醇酸共聚物进行纺丝成型，丝直径范围在10nm-100μm之间。相比于其他两层，最上层的无序致密的膜结构能更快使细胞黏附长成天然细胞片层，形成表皮结构，对整个微组织起保护作用。4)将上述制备好的单层支架进行组装成型、细胞体外培养及水凝胶封装。因为支架材料和涂覆的水凝胶本身良好的生物相容性，组装后的内部空间结构能实现细胞的快速增殖及细胞间的相互交流，并逐渐长成融合的生物组织。因膜支架选用的是不同分子量的有机高分子聚合物为基材，在体内不会马上降解，而是随着聚合物的共价键的断裂而逐步发生，这有利于生物组织更好的形成。与现有技术相比，本专利的优势在于1、本专利采用分层组装方法，能够根据培养组织的不同，替换不同的相应细胞后进行培养，且在实际应用当中，不局限于三层结构，可根据具体需求，进行材料和结构的调整，以便能够更好的实现功能化。2、本专利以三维快速成型技术为基础，可以根据不同组织的细胞组成，针对其不同细胞要求的生长习惯，制作出不同内部空间结构的分层支架对细胞进行培养。3、本专利在使用不同内部空间结构的分层支架的基础上，为增强材料的相容性和力学性能以及为细胞提供更好的生长环境，选取适合的水凝胶对材料进行涂覆，并在组装培养一段时间之后，进一步对整个结构进行整体涂覆和成型，提供一个整体微环境，这更利于生物组织的形成。附图说明如图所示，图1是整个生物微组织组装方法的原理图，在不同的特定组织中，每一层支架的材料和内部结构均不同，同时外层涂覆的水凝胶成分也可进行调整，本原理图仅以人体皮肤组织再造为例；图2是不同结构分层膜支架的微观实物图；图3是以人工皮肤为例，不同结构的支架用于培养特定细胞(成肌干细胞，内皮细胞和成纤维细胞)的苏木精与伊红和免疫荧光染色图。图4以皮肤培养为例，不同厚度的组装生物微组织实物图。具体实施方式下面结合实施条例对本专利做进一步的说明。1)分层支架制作方法：底层支架采用聚己内酯(PCL)为基材，将聚己内酯以7％的浓度溶于体积比为4:1的二甲基甲酰胺和四氢呋喃混合溶液中，充分搅拌6h，通过电脑编程，利用3D打印手段，将聚己内酯溶液有序打印成丝，丝直径范围在10-100μm之间，并控制支架的内部孔径在1-10μm之间。中层和上层支架采用聚乳酸-醇酸共聚物(PLGA)为基材，将聚乳酸-醇酸共聚物以10％的浓度溶于二甲基甲酰胺单一溶液中，充分搅拌6h；然后通过电脑三维建模分析，设计好支架的空间结构，按照具体需求制作出单向有序和无序致密的支架，并控制好支架纤维丝的尺寸。2)根据不同组织的需求，分别将特定的种子细胞接种到相关支架上，同时在支架上涂覆一层透明质酸水凝胶，改善细胞生长微环境后进行体外培养。实验表明，在此类条件下，细胞能够较好地增殖和迁移。3)将上述不同结构的支架分别进行细胞培养，待种子细胞持续增殖布满整个膜后，按原理图所示将其组装，并在外层涂覆一层由纤维蛋白原、甘油、透明质酸和明胶等组成的水凝胶，进行生物组织的固定成型。水凝胶既能够为该组织提供良好的生长环境，又能够将分层支架固定，可以使不同细胞间充分接触和交流，经培养之后，能形成更完整的生物活体组织结构。上述以较佳实例公开了本专利，然其并非用以限制本专利，凡采用等同替换或者等效替换方式所获得的技术方案，均落在本专利的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种组装生物微组织，其特征在于，采用电脑三维建模、3D打印和体外培养的方法，分层制备孔隙率和结构不同，涂覆水凝胶后能供细胞黏附、增殖、迁移的分层支架，然后进行活体细胞的体外培养和组织功能化；按照具体的组织或器官的细胞类型组成要求，人为改变该片层模支架的内部结构和负载的细胞，进行体外培养后，在支架结构的外层包裹上水凝胶，既可以提高片层膜支架的力学性能，同时又可以为细胞的生存提供更好的外部环境。

【技术特征摘要】
1.一种组装生物微组织，其特征在于，采用电脑三维建模、3D打印和体外培养的方法，分层制备孔隙率和结构不同，涂覆水凝胶后能供细胞黏附、增殖、迁移的分层支架，然后进行活体细胞的体外培养和组织功能化；按照具体的组织或器官的细胞类型组成要求，人为改变该片层模支架的内部结构和负载的细胞，进行体外培养后，在支架结构的外层包裹上水凝胶，既可以提高片层膜支架的力学性能，同时又可以为细胞的生存提供更好的外部环境。2.根据权利要求1的组装生物微组织，其特征在于，采用聚乳酸-羟基乙酸共聚物为代表的高分子材料进行片层膜支架分层制备，能够根据需替代的组织类型的不同，替换不同的相应细胞后进行片层膜支架...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭志凯，黄瑞英，谭拥军，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43