[發明專利]基于3D打印綜合成形的再生骨支架成形系統與方法

有效

• 申請號: 201310283620.6
• 申請日: 2013-07-08
• 公開（公告）號: CN103341989A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 劉媛媛;張付華;陳偉華;嚴飛飛;鄭璐璐;于永澤;胡慶夕
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: B29C70/38
• 分類號: B29C70/38;B29C70/36;B29C70/54
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術領域

????本發明涉及一種基于3D打印綜合成形的再生骨支架成型方法及系統，屬于生物制造領域，是機械工程，信息，組織工程，生命科學交叉的領域。

背景技術

創傷、腫瘤、先天性畸形、骨感染等原因都會導致骨缺損。骨缺損修復（Bone?Defect?Repair）是人類除血液移植（即輸血）外最普遍的組織移植手術，在歐美國家骨移植材料用量僅次于血液，成為使用量第二大的移植組織。另外，據有關資料顯示，我國每年大約有350萬人因交通事故出現不同程度的骨缺損，大量病人不得不進行大段骨缺損的修復。可見，骨移植材料將發展成為一個巨大的產業，并且有著廣闊的市場前景和良好的上升空間。?

研究表明，骨組織工程技術是目前解決骨缺損修復最為有效的技術，其核心技術之一是構建骨組織工程支架（以下簡稱骨支架）。骨支架是骨組織體外培養的重要載體，需要保證骨細胞有粘附成長和增殖的生存空間，要有與外界進行營養交換和物質代謝的通道，而且本身要具有生物活性、可降解性及必要的力學性能。因此，骨支架構建除了使用的材料本身能夠提供必要的力學性能、生物活性及可降解性外，支架的結構需要滿足多尺度要求，即宏觀上要滿足缺損骨修復的輪廓要求，材料成形尺度一般在500微米到200微米之間，微觀上要滿足細胞粘附，分化，增殖等要求，材料成形尺度一般在200微米到10納米之間。

然而，目前傳統的骨支架制備工藝存在以下問題：（1）對材料的可控性差，難于制造復雜非均質多孔結構的骨支架；（2）孔隙結構、孔隙間的位置關系和連通關系無法精確實現；（3）采用手工制造方法，無法保證支架的精確外形結構。與傳統方法相比，3D打印技術具有獨特優勢。該技術可根據缺損形態設計所需的支架，并通過適當調整加工參數實現按需調控支架的外輪廓形狀、內部宏觀孔隙結構。不過目前的3D打印工藝方法成形精度受限，成形設備加工所依賴的建模結構中無法有效包含納米級的微觀尺度結構，因而無法在加工過程中被信息驅動和控制優化。這些問題都導致目前3D打印技術很難成形200微米以下的微孔。為此，基于電紡絲的骨支架成形技術成了近兩年國外發展最為迅速的生物制造技術。電紡絲技術是利用強電場的作用使得聚合物溶液或熔體形成噴射流來進行紡絲加工，是一種制備納米纖維的新型加工方法之一，其應用已涉及到生命科學、組織工程、光電器件、航天器材等領域。利用電紡絲技術可以噴射出亞微米級甚至納米級的纖維，從而構成三維相互貫通的微孔結構，適用于細胞的粘附和生長。但利用電紡絲技術噴出的纖維所構成的支架，其外形結構類似于無序狀的無紡布，很難實現支架外形的精確控制。不難看出，目前單項工藝方法都無法實現多尺度的成形，因而無法同時滿足骨支架的宏觀輪廓成形要求和微觀孔隙成形要求。

發明內容：

本發明的目的在于克服現有技術的弊端，提供一種基于3D打印綜合成形的再生骨支架成形系統和方法，將3D打印技術與電紡絲技術和冷凍干燥技術相結合。本發明將有效推動生物制造技術及其裝備的發展，使眾多由于疾病、事故、戰爭等原因導致的骨組織缺損患者完全治愈成為可能，給越來越多的患者帶來希望。

為達到上述目的，本發明的構思是：

（一）骨支架3D打印綜合成形工藝方法

本發明提出的骨支架3D打印綜合成形工藝方法的技術路線如附圖1所示。接收平臺處于工位A位置，在壓強P的作用下3D打印成形噴頭（5）連續擠出支架宏觀結構的一層材料，同時接收平臺（8）按照預定的軌跡進行可控運動，經過壓力場和溫度場的共同作用一段時間后，高分子溶液材料會快速地干燥而固化；然后，接收平臺（8）移動到工位B位置，在壓力F和靜電場力的共同作用下，電紡絲噴頭（1）噴射出納米級的纖維絲，形成一層納米級纖維網。接收平臺（8）在兩個工位之間往返運動，兩個噴頭交替涂覆材料，可以制造出外形輪廓可控、宏觀孔隙可控、力學性能良好，并且內部具有能有效模擬細胞外基質環境的納米纖維網結構的再生骨支架（6）。最后對支架進行交聯并冷凍干燥，宏觀支架結構表面由于水分的蒸發，會明顯獲得微納米級尺度的形貌特征，從而進一步幫助細胞在支架上的攀附與生長。