生物相容性水凝胶内的多管道网络和功能性管道内拓扑制造技术

提供了由水凝胶基质制成的装置。所述水凝胶基质包含光吸收剂以及所述基质中的空隙结构，所述空隙结构具有各自为管状且支化的第一管道结构和第二管道结构，其中所述第一管道结构和所述第二管道结构彼此流体独立。描述了用于形成所述装置的预聚合溶液，以及制造这样的装置的方法。提供了制造3D水凝胶构建体的方法。所述方法包括使用计算机实施的过程来创建基于具有多个通过边缘和顶点连接的面的多面体镶嵌的构建体的3D模型，生成所述模型的第一管道组件，生成所述模型的第二管道组件，以及将所述模型的所述第一管道组件和所述第二管道组件组合。道组件组合。道组件组合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】生物相容性水凝胶内的多管道网络和功能性管道内拓扑


[0001]本公开内容涉及生物相容性水凝胶内的多管道网络(multivascular network)和功能性管道内拓扑(functional intravascular topology)的形成。

技术介绍

[0002]实体器官通过在生物物理和生物化学上缠结的(entangled)不同的管道网络来运输流体，形成难以产生和研究的复杂的三维(3D)运输方案。循环系统和肺系统的形态学是物理上和进化上缠结的。在呼吸空气的脊椎动物中，这些有界且保守的管道拓扑相互作用，使整个生物体的氧依赖性呼吸成为可能。

技术实现思路

[0003]以下详细说明描述了通过立体光刻产生来制备整体式透明水凝胶。细胞相容性水凝胶包含复杂且功能性的管道结构，并且具有用于研究流体混合器、瓣膜、管道间运输、营养递送和宿主植入的功能性管道拓扑。这些管道内和多管道设计是通过使用食品染料添加剂作为用于投影立体光刻的生物相容性光吸收剂，使用可光聚合水凝胶创建的。立体光刻工艺使得能够同时和正交控制用于设计再生组织的组织结构和生物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.装置，其包含：包含光吸收剂的水凝胶基质；以及所述基质中的空隙结构，所述空隙结构具有各自为管状且支化的第一管道结构和第二管道结构；其中所述第一管道结构和所述第二管道结构彼此流体独立。2.权利要求1所述的装置，其中所述装置允许入射在所述装置上的可见光的至少90％通过所述装置并且允许所述装置成像。3.权利要求1所述的装置，其中所述光吸收剂已至少部分地从所述装置中洗掉。4.权利要求1所述的装置，其中所述光吸收剂是独立于其余水凝胶基质的任何降解而可降解的。5.权利要求1所述的装置，其中所述光吸收剂是通过化学或物理过程可降解的。6.权利要求5所述的装置，其中所述光吸收剂是可光漂白的，或通过煮沸可去除的。7.权利要求1所述的装置，其中所述空隙结构是多管道的并且还包含与环面结缠结的环面。8.权利要求1所述的装置，其中所述第一管道结构和所述第二管道结构中的一种或两种由基于多面体镶嵌的模型形成。9.权利要求8所述的装置，其中所述基于多面体镶嵌的模型表示血管。10.权利要求8所述的装置，其中所述基于多面体镶嵌的模型表示气道。11.权利要求1所述的装置，其中所述空隙结构是多管道的并且还包含功能性瓣膜。12.权利要求11所述的装置，其中所述瓣膜是二尖瓣、三尖瓣、单尖瓣或特斯拉瓣。13.权利要求1所述的装置，其中所述空隙结构是多管道的并且还包含流体静态混合器。14.权利要求13所述的装置，其中所述流体静态混合器具有二至五十个翅片元件。15.权利要求11或12所述的装置，其中所述功能性瓣膜是在所述多管道空隙结构中的任何位置可定位的。16.权利要求1所述的装置，其中所述装置是整体式的。17.权利要求1所述的装置，其中所述水凝胶基质是光聚合水凝胶基质和/或生物可降解的。18.权利要求1所述的装置，其中所述装置通过增材制造产生。19.权利要求1所述的装置，其中所述第一管道结构和所述第二管道结构是缠结的。20.权利要求1所述的装置，其中所述第一管道结构被所述第二管道结构包盖。21.权利要求1所述的装置，其中所述水凝胶基质是多孔的。22.权利要求1所述的装置，其中所述装置是可植入的。23.权利要求1所述的装置，其中所述光吸收剂是亲水性的。24.权利要求23所述的装置，其中所述光吸收剂是以下中的一种：食品染料、柠檬黄、日落黄FCF(黄色No.6)、亮蓝FCF(FD&C蓝色No.1)、靛洋红(FD&C蓝色No.2)、固绿FCF(FD&C绿色No.3)花色素苷、花青素、赤藓红(FD&C红色No.3)、诱惑红AC(FD&C红色No.40)、核黄素(维生素B2、E101、E101a、E106)、抗坏血酸(维生素C)、喹啉黄WS、酸性红(偶氮玉红)、丽春红4R(E124)、专利蓝V(E131)、绿色S(E142)、黄色2G(E107)、橙色GGN(E111)、红色2G(E128)、焦糖
色、酚红、甲基橙、4
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硝基苯酚和NADH二钠盐。25.权利要求1所述的装置，其中所述光吸收剂是疏水性的。26.权利要求25所述的装置，其中所述光吸收剂是以下中的一种：姜黄素(E100)、姜黄、α
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胡萝卜素、β
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胡萝卜素、角黄素(酮
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类胡萝卜素)、胭脂虫提取物、红辣椒、藏红花、麦角钙化醇(维生素D2)、胆钙化醇(维生素D3)、柑橘红2、胭脂树提取物和番茄红素。27.权利要求1所述的装置，其包含三个或更多个彼此流体独立并且与所述第一管道结构和所述第二管道结构流体独立的管道结构。28.预聚合溶液，其包含：光敏聚合物；以及适合于控制光穿透的光吸收剂添加剂材料，其中所述添加剂材料是从所述预聚合溶液形成的固体中至少部分可去除的。29.权利要求28所述的预聚合溶液，其还包含植物细胞、细菌细胞或哺乳动物细胞。30.权利要求28所述的预聚合溶液，其中所述光吸收剂添加剂材料是亲水性的。31.权利要求30所述的预聚合溶液，其中所述光吸收剂添加剂材料是以下中的一种：食品染料、柠檬黄、日落黄FCF(黄色No.6)、亮蓝FCF(FD&C蓝色No.1)、靛洋红(FD&C蓝色No.2)、固绿FCF(FD&C绿色No.3)花色素苷、花青素、赤藓红(FD&C红色No.3)、诱惑红AC(FD&C红色No.40)、核黄素(维生素B2、E101、E101a、E106)、抗坏血酸(维生素C)、喹啉黄WS、酸性红(偶氮玉红)、丽春红4R(E124)、专利蓝V(E131)、绿色S(E142)、黄色2G(E107)、橙色GGN(E111)、红色2G(E128)、焦糖色、酚红、甲基橙、4
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硝基苯酚和NADH二钠盐。32.权利要求28所述的预聚合溶液，其中所述光吸收剂添加剂材料是疏水性的。33.权利要求32所述的预聚合溶液，其中所述光吸收剂添加剂材料是以下中的一种：姜黄素(E100)、姜黄、α
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胡萝卜素、β
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胡萝卜素、角黄素(酮
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类胡萝卜素)、胭脂虫提取物、红辣椒、藏红花、麦角钙化醇(维生素D2)、胆钙化醇(维生素D3)、柑橘红2、胭脂树提取物和番茄红素。34.用处理器制造3D水凝胶构建体的方法，其包括：创建基于具有多个通过边缘和顶点连接的面的多面体镶嵌的所述构建体的3D模型；通过以下生成所述模型的第一管道组件：去除所述多面体的面和/或顶点，并使用剩余的拓扑作为管道骨架，和用多边形网格为所述骨架进行蒙皮，并随后对结果进行平滑处理以沿所述模型的边缘产生圆柱形通道，其中管道间连接位于每个顶点位置；通过以下生成所述模型的第二管道组件：沿局部面法线缩放所述3D模型的面，使得所述第二管道组件嵌套在所述第一管道组件内，与所述第一管道组件和所述第二管道组件形成独立流体连接，和从固体体积中进行布尔减法；以及将所述模型的两个管道组件组合。35.权利要求34所述的方法，其包括通过以下来制造水凝胶肺泡构建体：以径向对称方式融合多个球体以创建第二管道拓扑；使所述第二管道拓扑偏移以生成管道表面拓扑；
对所述管道表面拓扑进行镶嵌、骨架化和蒙皮以产生沃罗努瓦管道拓扑，其中镶嵌包括进行多面体镶嵌；以及从固体体积中进行所述第二管道拓扑和已镶嵌的沃罗努瓦管道拓扑的布尔减法，以生成用于增材制造的最终3D模型。36.权利要求34或35所述的方法，其中所述多面体镶嵌是两个十二面体和六个十四面体单元的威尔
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费兰空间填充泡沫模型。37.制造水凝胶基质构建体的方法，其包括：使用设计软件创建所述水凝胶基质构建体的3D模型，其中所述水凝胶基质构建体的3D模型包含在所述水凝胶基质构建体中产生第一管状通道网络的第一计算算法，和不同于所述第一计算算法的在所述水凝胶基质中产生第二管状通道网络的第二计算算法，其中所述第一管状通道网络和第二管状通道网络是两个独立的、缠结的管道网络；将所述3D模型转换为适合于在3D增材制造软件中使用的格式，以产生待使用3D增材制造机生成的格式化3D模型；以及指导所述增材制造机生成所述模型。38.权利要求37所述的方法，其中所述第一计算算法是多面体镶嵌。39.权利要求37所述的方法，其中所述第一计算算法是环面，并且所述第二算法是环面结。40.权利要求37所述的方法，其包括向所述3D增材制造机供应预聚合溶液，其中所述预聚合溶液包含光吸收剂。41.权利要求40所述的方法，其中所述预聚合溶液包含一种或更多种类型的细菌细胞、哺乳动物细胞和植物细胞。42.权利要求37所述的方法，其包括用细胞内衬所述第一管状通道网络或所述第二管状通道网络。43.权利要求37所述的方法，其包括用细胞包埋所述水凝胶基质。44.权利要求41或43所述的方法，其中所述细胞是肝、肺、骨、内皮、心脏、胰腺、肾、上皮、肌肉、软骨、干细胞、皮肤或眼的细胞中的一种或更多种。45.权利要求34或37所述的方法，其包括在所述3D增材制造机生成所述3D模型的同时传递热量。46.权利要求45所述的方法，其中热量是通过硅酮加热器、加热灯或红外LED来添加的。47.权利要求45所述的方法，其包括在生成所述3D模型期间将所述3D模型封闭在加热外壳中。48.制造3D水凝胶构建体的方法，其包括：使用计算机实施的过程以进行以下：创建基于具有多个通过边缘和顶点连接的面的多面体镶嵌的所述构建体的3D模型；生成所述模型的第一管道组件；生成所述模型的第二管道组件；以及将所述模型的所述第一管道组件和所述第二管道组件组合。49.权利要求48所述的方法，其中使用所述计算机实施的过程来生成所述模型的所述第一管道组件包括：去除所述多面体的面，以及使用剩余的拓扑的顶点和边缘作为管道骨
架。50.权利要求49所述的方法，其使用计算机实施的过程来生成所述模型的所述第一管道组件还包括：用多边形网格为所述骨架进行蒙皮，并随后对结果进行平滑处理以沿所述模型的边缘产生圆柱形通道，其中管道间连接位于每个顶点位置。51.权利要求48所述的方法，其中使用计算机实施的过程来生成所述模型的所述第二管道组件包括：沿局部面法线缩放所述3D模型的面，使得所述第二管道组件嵌套在所述第一管道组件内，与所述第一管道组件和所述第二管道组件形成独立流体连接，以及从固体体积中进行布尔减法。52.权利要求48所述的方法，其还包括：通过以下来制造水凝胶肺泡构建体：...

【专利技术属性】
技术研发人员：约尔丹，
申请(专利权)人：威廉马歇莱思大学，
类型：发明
国别省市：