利用近场直写3D打印技术制备微型仿生椎间盘支架的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用近场直写3D打印技术制备微型仿生椎间盘支架的方法，本发明专利技术利用近场直写3D打印技术打印出多种规格的网状层叠相交结构的纤维环层叠支架，并将纤维环层叠支架按照孔径由小到大的顺序排布好，将纤维环层叠支架加热后以斜45

【技术实现步骤摘要】
利用近场直写3D打印技术制备微型仿生椎间盘支架的方法


[0001]本专利技术涉及仿生
，具体的说是一种利用近场直写3D打印制备微型仿生椎间盘支架的方法，用于大鼠等小型动物椎间盘支架的仿生。

技术介绍

[0002]椎间盘退变是一种致残率高的常见腰部疾病，随着电子产品的发展以及人们工作生活方式的改变，长时间的不正确坐姿使得越来越多的人出现了这一病症。
[0003]目前在临床上，针对椎间盘退变的治疗手段非常有限，只能起到缓解症状的作用，不能从根本上得到治疗。从理论上讲，椎间盘置换是治疗椎间盘退变的最理想的方法，随着椎间盘置换技术的发展及材料制备工艺的不断进步，全组织工程椎间盘(Tissue
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engineered Intervertebral Disc, TE
‑
IVD)的构建更符合治疗需要。
[0004]作为人体最大的承重器官，椎间盘具有复杂的结构和力学环境，其中椎间盘内外不同区域力学特性梯度变化的宏观结构，和椎间盘中纤维环相邻层之间相交层叠的微观结构是椎间盘非常重要的两个结构特性，在全组织工程椎间盘的精确构建上，如何能同时对椎间盘宏观以及微观复杂结构进行精确仿生，成为了主要难题。
[0005]在针对椎间盘组织工程的研究中，有研究者利用冷冻干燥、静电纺丝以及气体发泡等传统技术已制备出不同形状和内部孔结构的类纤维环层叠支架，可通过控制材料的宏观和微观结构调控细胞取向生长，从而促进纤维环相关基因的表达并实现组织修复。但由于椎间盘是非均一性的组织，结构以及力学微环境极其复杂，而类似传统的材料制备工艺无法实现精准、复杂成型，极大限制了具有多层级梯度分布结构的组织工程椎间盘的构建。
[0006]有研究人员采用逆向重建的方法制备了一种TE
‑
IVD支架，该支架的纤维环部分含有同心圆排列层状结构，并且在相邻层之间具有+/
−
30
°‑
45
°
的叠交结构，该支架是由细菌纤维素等不可降解材料制备的，缺乏必要的生物活性。并且，该支架仅仅在纤维环相邻层之间的微观叠交结构进行了仿生，而并未对整个椎间盘内、中、外区域梯度变化分布的渐变结构进行有效仿生。此外，该仿生支架力学性能不足，在植入大鼠尾椎后未达到理想的力学支撑效果。并且在手术时往往需要将所置换区域的上下椎骨钉入外支架进行固定，不但会增加手术难度、造成大量的额外创伤，而且存在纤维环层叠支架植入后出现变形以及滑脱的可能性。
[0007]由于目前所制备的组织工程椎间盘并不能有效地模拟原位椎间盘的复杂结构，致使所制备的椎间盘支架进行动物体内实验的效果并不理想。此外，由于体内实验所选择的动物模型往往是大鼠或白兔等动物，这类动物的椎间盘尺寸极小，往往不到正常人体的椎间盘十分之一，如大鼠尾椎椎间盘尺寸为：Φ3mm
×
0.5mm，高度h=1.5mm，这进一步增加了组织工程椎间盘支架的制备难度，也使得组织工程椎间盘的体内验证效果难以实施。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供一种利用近场直写3D打印制备微型仿生椎间盘支架的方法，
既能高度仿生椎间盘宏观以及微观的复杂结构，又能将结构进一步缩小到用于大鼠体内实验的尺寸，为组织工程椎间盘的发展提供新的思路。
[0009]为实现上出目的，本专利技术所采取的技术方案为：一种利用近场直写3D打印制备微型仿生椎间盘支架的方法，包括以下步骤：步骤一、建模及仿生优化：以大鼠尾椎纤维环的尺寸作为参考，利用三维软件对椎间盘支架进行数字化建模，得到椎间盘支架3D模型，再将3D模型导入COMSOL Multiphysics仿真软件对支架的结构以及在受到压力时的形变量进行有限元分析，设定材料、约束对象和椎间盘支架3D模型的边界载荷，将椎间盘支架3D模型中的纤维环切割成数片层叠支架，模拟大鼠在直立、转体及前屈动作，检测纤维环各层叠支架所承受的纵向压力、横向压力参数，根据所得的有限元分析结果对椎间盘支架3D模型进行优化及改进，确定适宜的纤维环层叠支架的数量、孔径和纤维直径；步骤二、利用3D打印技术打印纤维环层叠支架：将质量比为3:4.5
‑
5的聚己内酯PLC与冰醋酸混合均匀，超声2
‑
3小时，至聚己内酯PLC充分溶解，得到打印墨水；将打印墨水加入近场直写3D打印设备，根据步骤一优化后的纤维环层叠支架的模型设定打印参数，打印出数层孔径为50
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500μm，纤维直径为20
‑
50μm规格的网状层叠相交结构的纤维环层叠支架；步骤三、制备纤维环层叠支架将步骤二所打印的数层不同孔径的纤维环层叠支架按照孔径由小到大的顺序排布好，将纤维环层叠支架加热至温度为50
‑
60℃，以斜45
°
的角度将纤维环层叠支架仿照大鼠纤维环的结构进行手工卷曲，得到由内向外孔径梯度变化的仿真纤维环层叠支架；步骤四、全组织工程椎间盘的组装再将步骤三所制备的纤维环层叠支架进行消毒，将无菌的甲基丙烯酸酐化明胶GelMA灌注到纤维环层叠支架中心作为髓核，用紫外光照射使其光固化交联成型，组装成完整的生物仿真全组织工程椎间盘支架，仿生椎间盘支架的尺寸与大鼠尾椎待移植的椎间盘尺寸相适配，并植入大鼠尾椎。
[0010]优选的，所述步骤二中聚己内酯PLC的分子量为8
×
104‑
8.5
×
104，冰乙酸的质量百分比浓度≧99.8%。
[0011]优选的，所述步骤二中所打印的纤维环层叠支架的孔径分别为50μm、100μm、300μm或500μm。
[0012]优选的，所述步骤三所制备的纤维环层叠支架的尺寸与大鼠尾椎待移植的椎间盘尺寸相适配，纤维环层叠支架侧壁的孔径由内向外分别为50
×
50μm2、100
×
100μm2、300
×
300μm2、500
×
500μm2。
[0013]本专利技术利用近场直写3D打印技术打印出多种规格的网状层叠相交结构的纤维环层叠支架，并将纤维环层叠支架按照孔径由小到大的顺序排布好，将纤维环层叠支架加热后以斜45
°
的角度将纤维环层叠支架仿照大鼠纤维环的结构进行手工卷曲，得到由内向外孔径梯度变化的仿真纤维环层叠支架；以甲基丙烯酸酐化明胶GelMA灌注到纤维环层叠支架中心作为髓核，得到高度仿生的椎间盘支架。与现有技术相比较，本专利技术复制原生纤维环的层叠交错结构以及内、中、外区域梯度变化分布，还将支架尺寸缩小至外径3mm的桶型，完全与小型动物的微型脊椎结构和尺寸相匹配；构建出的梯度孔径精密结构可对细胞行为进
行梯度调控，引导细胞定向生长，分泌细胞外基质，最终形成细胞类型梯度分布的类椎间盘组织，发挥其生理作用；避免了传统椎间盘置换术需要额外力学支架固定所造成的创伤，本专利技术所制备的支架具有良好的力学性能，经测试其承受的压力≧3Mp，在植入初期和植入后对所置换区域提供必要的力学支撑，保本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用近场直写3D打印制备微型仿生椎间盘支架的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、建模及仿生优化：以大鼠尾椎纤维环的尺寸作为参考，利用三维软件对椎间盘支架进行数字化建模，得到椎间盘支架3D模型，再将3D模型导入COMSOL Multiphysics仿真软件对支架的结构以及在受到压力时的形变量进行有限元分析，设定材料、约束对象和椎间盘支架3D模型的边界载荷，将椎间盘支架3D模型中的纤维环切割成数片层叠支架，模拟大鼠在直立、转体及前屈动作，检测纤维环各层叠支架所承受的纵向压力、横向压力参数，根据所得的有限元分析结果对椎间盘支架3D模型进行优化及改进，确定适宜的纤维环层叠支架的数量、孔径和纤维直径；步骤二、利用3D打印技术打印纤维环层叠支架：将质量比为3:4.5
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5的聚己内酯PLC与冰醋酸混合均匀，超声2
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3小时，至聚己内酯PLC充分溶解，得到打印墨水；将打印墨水加入近场直写3D打印设备，根据步骤一优化后的纤维环层叠支架的模型设定打印参数，打印出数层孔径为50
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500μm，纤维直径为20
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50μm规格的网状层叠相交结构的纤维环层叠支架；步骤三、制备纤维环层叠支架将步骤二所打印的数层不同孔径的纤维环层叠支架按照孔径由小到大自内向外的顺序排布好，将纤维环层叠支架加热至温度为50
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60℃，以斜45

【专利技术属性】
技术研发人员：刘昭，李斌，王会，张继，吉腾桤，丁玲，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：