[發明專利]一種基于氣動精準控制活性軟骨支架的連續梯度化仿生制造方法

有效

• 申請號: 202110487221.6
• 申請日: 2021-05-05
• 公開（公告）號: CN113172880B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 魏慶華;孫道岑;汪焰恩;盧婷利;張映鋒;張衛紅
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B29C64/124
• 分類號: B29C64/124;B29C64/236;B29C64/194;B29C64/386;B29C64/35;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y40/00;B33Y40/20;B33Y50/00;B33Y70/00;C12N5/077
• 代理公司: 西安匠星互智知識產權代理有限公司 61291
• 代理人: 陳星

1.一種基于氣動精準控制活性軟骨支架的連續梯度化仿生制造方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：依據天然軟骨分層特征，建立軟骨支架的多層組織數學模型和三維CAD模型；并結合水凝膠基體材料特性，確定軟骨支架不同帶層基體材料的組分配比及軟骨細胞密度分布；

步驟2：取用原代關節軟骨細胞進行培養，得到細胞懸浮液；根據水凝膠基體材料的理化特性，配制SA、Gel以及SA/HA水凝膠溶液，并于29~31℃水浴鍋中保溫備用；配制質量分數為2%~6%的CaCl₂溶液，靜置待用；

步驟3：將制備好的細胞懸浮液、SA、Gel以及SA/HA水凝膠溶液分別裝入不同的料筒中，并連接好驅動氣管，裝配好主動混合噴頭，將打印基板溫度設置為4℃~6℃；

步驟4：將步驟1建立的軟骨支架的三維CAD模型切片處理，得到切片處理文件，并導入3D擠壓成型設備；

所述3D擠壓成型設備包括連續梯度打印控制系統和供料系統；

所述連續梯度打印控制系統包括上位機PC、下位機FPGA控制板、BUCK電路；

所述供料系統包括氣泵、減壓閥、電氣比例閥、除菌過濾器、氣壓傳感器、打印料筒、主動混合噴頭；

根據軟骨支架不同帶層基體材料的組分配比及軟骨細胞密度分布需求，在上位機PC設定驅動氣壓的大小，并發送給下位機FPGA控制板，在下位機FPGA控制板中轉換為PWM信號來調節BUCK電路的輸出電壓，BUCK電路控制電氣比例閥輸出相應大小的氣壓，所述電氣比例閥通過氣泵和減壓閥提供氣源；氣壓傳感器采集電氣比例閥輸出氣壓并反饋給下位機FPGA控制板，實現誤差反饋控制；電氣比例閥輸出氣壓通過除菌過濾器后驅動打印料筒，并經過主動混合噴頭實現擠壓沉積打印；

步驟5：啟動氣泵，開始打印，按照步驟1所確定的軟骨支架不同帶層基體材料組分配比及軟骨細胞密度分布，對不同料筒施加不同大小的壓力，不同組分含量的基體材料經主動混合噴頭均勻混合后精準沉積于低溫基板上，通過層層堆疊構建了材料成分在層間和層內梯度變化的軟骨支架；每層打印后噴灑所制備的CaCl₂溶液，使其交聯成型，如此層層固化堆疊，完成整個支架的打印；

步驟6：將步驟5所打印的支架在室溫環境下浸泡在制備的CaCl₂溶液中，取出后用DMEM細胞培養液對支架進行漂洗；

步驟7：將步驟6制備的軟骨支架置于動態灌流系統平臺進行培養，培養完成后得到符合要求的軟骨支架。

2.根據權利要求1所述一種基于氣動精準控制活性軟骨支架的連續梯度化仿生制造方法，其特征在于：步驟2配制的CaCl₂溶液質量分數為4%。

3.根據權利要求1所述一種基于氣動精準控制活性軟骨支架的連續梯度化仿生制造方法，其特征在于：步驟1中，依據天然軟骨不同帶層解剖學特征數據，分析關節軟骨結構、成分、性能的梯度分布規律，確定天然軟骨分層特征。

4.根據權利要求1所述一種基于氣動精準控制活性軟骨支架的連續梯度化仿生制造方法，其特征在于：步驟2中，細胞培養液為高糖DMEM培養液，其中添加有9%~11%胎牛血清、1~3mM谷氨酰胺和90~110μm/ml抗生素，經過多次傳代達到需求數量；步驟7中，動態灌流系統平臺中的細胞培養液為高糖DMEM培養液，其中添加有9%~11%胎牛血清、1~3mM谷氨酰胺、4~6ng/ml生長因子和90~110μm/ml抗生素。

5.根據權利要求4所述一種基于氣動精準控制活性軟骨支架的連續梯度化仿生制造方法，其特征在于：步驟2中，使用前用胰酶消化，并加入DMEM細胞培養液得到細胞密度為4.0×10⁷ ~6.0×10⁷ cells/ml的細胞懸浮液。

6.根據權利要求1所述一種基于氣動精準控制活性軟骨支架的連續梯度化仿生制造方法，其特征在于：步驟2中，根據水凝膠基體材料的理化特性，分別配制3wt%~8wt%的SA、Gel以及SA/HA水凝膠溶液。