一種韌性組織結(jié)構(gòu)及其3d打印成形設(shè)備和方法
【專利摘要】一種韌性組織結(jié)構(gòu)及其3D打印成形設(shè)備和方法，屬于復(fù)合材料、組織工程和醫(yī)療器械領(lǐng)域。本發(fā)明的韌性組織結(jié)構(gòu)為立體結(jié)構(gòu)，包括纖維層和水凝膠層，纖維層和水凝膠層在空間內(nèi)交替排列。纖維層的纖維為有序排列或無序排列，水凝膠層含或不含細(xì)胞。所述設(shè)備包括掃描成像系統(tǒng)、快速成形系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。該韌性組織結(jié)構(gòu)在力學(xué)上、形態(tài)上和生物學(xué)上能夠模擬體內(nèi)韌性組織的細(xì)胞、基質(zhì)和纖維的組成狀態(tài)，該韌性組織結(jié)構(gòu)能用于跟腱、韌帶、尿道、婦科盆底支撐系統(tǒng)等部位的韌性組織的直接修復(fù)和再生。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了纖維、細(xì)胞和水凝膠的體內(nèi)外直接復(fù)合成形，能實(shí)現(xiàn)在臨床手術(shù)中體內(nèi)外直接打印、再生或替換病變的韌性組織。
【專利說明】一種韌性組織結(jié)構(gòu)及其3D打印成形設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于組織工程、復(fù)合材料及醫(yī)療器械領(lǐng)域，涉及一種韌性組織結(jié)構(gòu)及其3D打印成形設(shè)備和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，韌性組織(跟腱、筋膜、韌帶、尿道和婦科盆底支撐系統(tǒng)等)的損傷治療和修復(fù)主要依靠仿生材料替代、自體移植或異體移植，但這些方法采用的替代物的生物相容性不高，損傷恢復(fù)較慢，甚至面臨免疫排斥和病毒傳染問題，并且成年人的治療和修復(fù)比幼年更加困難。再生醫(yī)學(xué)和組織工程為人類結(jié)締組織的修復(fù)和再造提供了可能，其中涉及到生物學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械學(xué)等學(xué)科。
[0003]韌性組織,如結(jié)締組織(connective tissue),是人和高等動(dòng)物的基本組織之一，起支持、連接、營(yíng)養(yǎng)、保護(hù)等多種功能。結(jié)締組織分為疏松結(jié)締組織(如皮下組織)、致密結(jié)締組織(如腱和韌帶)、脂肪組織和網(wǎng)狀組織。結(jié)締組織由細(xì)胞、纖維和細(xì)胞外基質(zhì)組成；細(xì)胞主要有巨噬細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、漿細(xì)胞和肥大細(xì)胞；纖維包括膠原纖維、彈性纖維和網(wǎng)狀纖維。
[0004]將3D打印技術(shù)與組織工程技術(shù)相結(jié)合，是目前解決復(fù)雜組織器官制造的有效途徑。國(guó)外許多科研組在該領(lǐng)域有所探索和發(fā)展[Boland T, et al.Biotechnologyjournal, 2006, I(9):910 ；Cooper G, et al.Tissue Engineering PartA, 2010, 16(5):1749 ；Fedorovich N,et al.Tissue Engineering Part C, 2011，18(1):33]。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)器官制造中心(Center of Organ Manufacturing)開發(fā)出系列3D成形設(shè)備，如熔融擠壓設(shè)備、單(雙)噴頭(針頭)針低溫沉積成形設(shè)備，并成功制備出了簡(jiǎn)單的血管網(wǎng)、肝組織和骨修復(fù)材料等[Wang X, et al.Trends in Biotechnology, 2007, 25:505 ；Wang X, et al.Tissue Engineering Part B, 2010，16: 189;Wang X.Artificialorgans,2012,36:591]。
[0005]干細(xì)胞能為組織再生提供再生微環(huán)境，目前已應(yīng)用于骨、軟骨、肌肉、骨髓基質(zhì)、肌腱、脂肪和其他結(jié)締組織的修復(fù)[Caplan A.Journal of cellularphysiology, 2007, 213(2):341]。結(jié)締組織的纖維可人工制備，如將蠶絲纖維紡織成網(wǎng)格，作為脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞的場(chǎng)所，用于婦科盆底支撐系統(tǒng)的結(jié)締組織修復(fù)替代物[Li Q, etal.Cell and tissue research, 2013，354 (2): 471],該方法能觀測(cè)到細(xì)胞與絲素纖維的交互作用，但蠶絲的生物相容性和生物毒性需要進(jìn)一步驗(yàn)證，同時(shí)網(wǎng)格的宏觀孔隙過大，纖維間微觀孔隙過小，不適宜細(xì)胞生長(zhǎng)；同時(shí)成品輪廓的可重復(fù)性低，生產(chǎn)效率有待提高，不適于批量生產(chǎn)。
[0006]目前世界上使用最廣泛的手術(shù)機(jī)器人為達(dá)芬奇機(jī)器人[陳廣飛等，機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2011，4:11],主要有醫(yī)生控制臺(tái)、成像系統(tǒng)和機(jī)械臂構(gòu)成，主要用于實(shí)現(xiàn)外科手術(shù)的遠(yuǎn)程操作。但該系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的手術(shù)(如切除和縫合)，并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)病變部位的實(shí)時(shí)再生，并未應(yīng)用增材制造(3D打印)技術(shù)；該系統(tǒng)的成像系統(tǒng)僅為普通視頻圖像信號(hào)，并非醫(yī)學(xué)掃描圖像信號(hào)(如CT和核磁共振成像)。故達(dá)芬奇系統(tǒng)在組織器官體內(nèi)直接再生領(lǐng)域的局限性很大。
[0007]通過以上分析，將3D打印技術(shù)與組織器官相結(jié)合已成為醫(yī)學(xué)和工程學(xué)的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有的彈性組織的修復(fù)方法受到材料性能、生物相容性和修復(fù)再生速度的影響，并不能完全恢復(fù)損傷組織的功能。本發(fā)明3D打印技術(shù)應(yīng)用于臨床手術(shù)，并將細(xì)胞與高分子復(fù)合，能實(shí)現(xiàn)病變部位的術(shù)中實(shí)時(shí)再生。所成形的結(jié)構(gòu)在形態(tài)結(jié)構(gòu)上、免疫生理方面都有良好的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種韌性組織結(jié)構(gòu)及其3D打印成形設(shè)備和方法。該發(fā)明可將材料學(xué)、工程學(xué)、醫(yī)學(xué)成像學(xué)和干細(xì)胞等技術(shù)相結(jié)合，在臨床手術(shù)中實(shí)現(xiàn)對(duì)病人病變組織的再生和直接替換，所得結(jié)構(gòu)在宏觀微觀形貌上可模擬活體組織，同時(shí)在功能和生物相容性上效果突出，該韌性組織結(jié)構(gòu)是修復(fù)韌帶、跟腱等結(jié)締組織的優(yōu)良替代物，制備該結(jié)構(gòu)的方法也能為復(fù)雜器官制造提供思路。[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]一種韌性組織結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述韌性組織結(jié)構(gòu)為立體結(jié)構(gòu)，包括纖維層和水凝膠層；所述纖維層和水凝膠層在空間內(nèi)交替排列；所述纖維層為高分子纖維，該高分子纖維呈有序或無序排列狀態(tài)；所述水凝膠層為高分子水凝膠，該高分子水凝膠含或不含細(xì)胞；所述高分子水凝膠的質(zhì)量體積濃度為0.1~20% ;所述纖維層的尺寸在長(zhǎng)度、寬度和高度至少一個(gè)方向上大于其相鄰水凝膠層的尺寸。
[0011]上述技術(shù)方案中，所述纖維層的厚度為IOnm~10mm，所述水凝膠層的厚度為IOym~10mm。所述纖維層的有序排列狀態(tài)為平行狀、放射狀、交叉狀、網(wǎng)狀、紡織狀或環(huán)扣狀。所述立體結(jié)構(gòu)為立方體、圓柱體或模擬體內(nèi)組織器官的具體形態(tài)。所述纖維層的纖維間的孔隙或間隙尺寸為5nm~2mm。
[0012]本發(fā)明所述水凝膠層所含細(xì)胞為成纖維細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、漿細(xì)胞、肥大細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、間充質(zhì)細(xì)胞和白細(xì)胞中的至少一種；所述細(xì)胞密度為IXio2~I X IO9個(gè)/mL。所述高分子纖維采用聚酯、聚氨酯、聚乙烯、聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、膨體聚四氟乙烯、聚乳酸、硅橡膠、羥甲基纖維素鈉、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、糖類、絲素蛋白、膠原蛋白和彈性蛋白中的至少一種；所述高分子水凝膠為明膠、海藻酸鈉、纖維蛋白原、膠原、基質(zhì)膠、卡拉膠、殼聚糖、瓊脂、透明質(zhì)酸、基質(zhì)膠、彈性蛋白、層粘素、聚乙烯醇和聚乙二醇中的至少一種。
[0013]本發(fā)明提供的一種韌性組織結(jié)構(gòu)的3D打印成形設(shè)備，其特征在于:所述設(shè)備包括多噴頭快速成形系統(tǒng)、掃描成像系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；所述傳送系統(tǒng)一端位于多噴頭快速成形系統(tǒng)下方，另一端穿過掃描成像系統(tǒng)；所述多噴頭快速成形系統(tǒng)包括X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、噴頭固定裝置和成形臺(tái)；所述噴頭固定裝置設(shè)置在X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，并沿X向運(yùn)動(dòng)；所述噴頭固定裝置包括成形打印組件，所述成形打印組件含有外科手術(shù)組件和噴頭組件，并在XY平面和Z向移動(dòng)；述所述多噴頭快速成形系統(tǒng)、掃描成像系統(tǒng)和傳送系統(tǒng)由數(shù)據(jù)線路分別與控制系統(tǒng)連接；所述掃描成像系統(tǒng)將掃描所得信號(hào)傳送至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)處理后得到指令信號(hào)并將指令信號(hào)發(fā)送至快速成形系統(tǒng)和傳送系統(tǒng)。[0014]本發(fā)明所述的設(shè)備中，其特征在于:所述設(shè)備還包括至少一個(gè)工業(yè)機(jī)器人，該機(jī)器人安裝在所述成形臺(tái)的側(cè)邊，每個(gè)機(jī)器人包括成形打印組件，成形打印組件含有外科手術(shù)組件和噴頭組件，并在空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
[0015]本發(fā)明所述的設(shè)備中，其特征在于:所述噴頭固定裝置采用方形結(jié)構(gòu)，方形結(jié)構(gòu)包括多條相互平行的Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在每條Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上裝有Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述成形打印組件安裝在Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上；或所述噴頭固定裝置采用圓形結(jié)構(gòu)，該圓形結(jié)構(gòu)包括多條徑向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在每條徑向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上裝有Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述成形打印組件安裝在徑向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上。
[0016]本發(fā)明所述的設(shè)備中，所述噴頭組件包括螺桿擠壓噴頭、電紡絲噴頭和噴霧噴頭至少一種，以及吸除組件和夾持組件；所述吸除組件含真空泵、吸除嘴、連接管和污物收集箱；所述真空泵一側(cè)由連接管連在吸除嘴上，另一側(cè)由連接管連在污物收集箱上。 [0017]本發(fā)明還提供了一種制備韌性組織結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該方法包括體內(nèi)直接打印成形方法或體外打印成形方法，所述方法包括如下步驟:
[0018]I)體內(nèi)直接打印成形:
[0019]a)由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所述韌性組織結(jié)構(gòu)的三維模型，或者由掃描成像系統(tǒng)掃描病變部位得到韌性組織結(jié)構(gòu)的三維模型，并由計(jì)算機(jī)分配打印成形路徑；利用所述掃描成像系統(tǒng)將病變部位掃描所得信號(hào)傳送至控制系統(tǒng)進(jìn)行處理得到指令信號(hào)，并將指令信號(hào)發(fā)送至快速成形系統(tǒng)和傳送系統(tǒng)；
[0020]b)將配制好的質(zhì)量體積濃度為0.1~20%的高分子水凝膠和高分子纖維原材料分別裝載到所述3D打印設(shè)備的不同噴頭組件中，該水凝膠含或不含細(xì)胞；
[0021]c)依據(jù)步驟a)的指令信號(hào)，利用所述傳送系統(tǒng)將病人轉(zhuǎn)移至快速成形系統(tǒng)下方，利用外科手術(shù)組件進(jìn)行病變部位微創(chuàng)切口，為打印成形預(yù)留空間；由所述噴頭組件中的吸除組件吸除部分或全部病變組織；
[0022]d)制備水凝膠層:依據(jù)步驟a)的三維模型，利用所述3D打印成形設(shè)備的快速成形系統(tǒng)打印配制好的高分子水凝膠于病變部位，得到水凝膠層；
[0023]e)制備纖維層:依據(jù)步驟a)的三維模型，在步驟d)的已成形的水凝膠層上，利用所述3D打印成形設(shè)備打印得到纖維層，或?qū)⒗w維層直接鋪設(shè)在已打印的水凝膠層上；
[0024]f)利用所述傳送系統(tǒng)將病人轉(zhuǎn)移至掃描成像系統(tǒng)得到成形部位的反饋信號(hào)并由計(jì)算機(jī)處理，決定后續(xù)打印步驟；
[0025]g)重復(fù)步驟d)~f)，最終得到所述韌性組織結(jié)構(gòu)；
[0026]h)利用所述傳送系統(tǒng)將病人轉(zhuǎn)移至快速成形系統(tǒng)下方，利用醫(yī)用縫合膠進(jìn)行創(chuàng)口縫合，手術(shù)結(jié)束；
[0027]2)體外打印成形:
[0028]a)由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所述韌性組織結(jié)構(gòu)的立體模型，或者由醫(yī)學(xué)成像技術(shù)掃描病變部位得到所述韌性組織結(jié)構(gòu)的三維模型，并由計(jì)算機(jī)分配打印成形路徑；
[0029]b)將配制好的質(zhì)量體積濃度為0.1~20%的高分子水凝膠和高分子纖維原材料分別裝載到所述3D打印設(shè)備的不同噴頭中，該水凝膠含或不含細(xì)胞；
[0030]c)制備水凝膠層:依據(jù)步驟a)的三維模型，利用所述3D打印成形設(shè)備的快速成形系統(tǒng)打印配制好的高分子水凝膠，在成形臺(tái)上得到水凝膠層；[0031]d)制備纖維層:依據(jù)步驟a)的三維模型，在步驟c)的已成形的水凝膠層上，利用所述3D打印成形設(shè)備的快速成形系統(tǒng)打印得到纖維層，或?qū)⒗w維層直接鋪設(shè)在已打印水凝膠層上；
[0032]e)重復(fù)步驟c)~d)，最終得到所述韌性組織結(jié)構(gòu)；
[0033]f)韌性組織結(jié)構(gòu)植入:利用傳送系統(tǒng)將病人轉(zhuǎn)移至快速成形系統(tǒng)下方，利用所述3D打印設(shè)備的外科手術(shù)組件進(jìn)行病變部位微創(chuàng)切口，由吸除組件吸除部分或全部病變組織；利用所述夾持組件將步驟e)所得韌性組織結(jié)構(gòu)移入病變部位；進(jìn)行創(chuàng)口縫合，手術(shù)結(jié)束。
[0034]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性的技術(shù)效果:
[0035]①本發(fā)明的纖維層和水凝膠層交替排列，水凝膠層可含或不含細(xì)胞的水凝膠支架，極大模擬了體內(nèi)韌性組織細(xì)胞、基質(zhì)和纖維的交互作用，有助于韌性組織結(jié)構(gòu)的再生和臨床應(yīng)用。
[0036]②本發(fā)明的纖維層有序或無序排列，可實(shí)現(xiàn)纖維的多種狀態(tài)的排列，成形的纖維層在形態(tài)、力學(xué)和生物學(xué)上模擬了體內(nèi)韌性組織的纖維狀態(tài)，為水凝膠層和細(xì)胞貼附提供了物理支撐。
[0037]③本發(fā)明實(shí)現(xiàn)在手術(shù)中對(duì)病人病變部位的切除、再生或修飾，所得結(jié)構(gòu)在形態(tài)可極大逼近 原始組織，生理上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，且免疫排斥較低，為韌性組織器官修復(fù)和再生的良好選擇。
[0038]④本發(fā)明的3D打印成形裝置，可實(shí)現(xiàn)在動(dòng)物體內(nèi)外的3D打印，為實(shí)時(shí)成形復(fù)雜組織或器官提供了思路。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1為立方體韌性組織結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖2為圓柱體韌性組織結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖3a、圖3b、圖3c、圖3d、圖3e、圖3f和圖3g分別為平行排列、放射排列、交叉排列、網(wǎng)狀排列、紡織物狀排列、環(huán)扣狀排列和纖維隨機(jī)排列的纖維示意圖。
[0042]圖4為3D打印成形設(shè)備示意圖。
[0043]圖5a、5b、5c和5d分別為方形的噴頭固定裝置、圓形的噴頭固定裝置、單個(gè)噴頭組件和工業(yè)機(jī)器人的示意圖。
[0044]圖6a、圖6b、圖6c、圖6d、圖6e和圖6f分別為螺桿擠壓噴頭、電紡絲噴頭、噴霧噴頭、吸除組件、夾持組件和外科手術(shù)組件的示意圖。
[0045]圖6g和6h分別為電紡絲噴頭和噴霧噴頭工作示意圖。
[0046]圖7為3D打印成形設(shè)備控制路線圖。
[0047]圖中:101-纖維層；102_水凝膠層；401-掃描成像系統(tǒng)；402_多噴頭快速成形系統(tǒng)；403_傳送系統(tǒng)；404_控制系統(tǒng)；405_成形臺(tái)；406_噴頭固定裝置；407_工業(yè)機(jī)器人；408-噴頭組件；409_導(dǎo)軌支架；410-手術(shù)臺(tái)；411_手術(shù)臺(tái)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌；502_X向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌；503-X向電機(jī)；504_方形支撐架；505-Y向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌；506_Υ向電機(jī)；507_Ζ向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌；508-Ζ向電機(jī)；509-噴頭放置板；510-圓形支撐架；511_徑向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌；512_徑向電機(jī)；601-螺桿；602-電機(jī)；603-固定夾；604_注射器；605_噴嘴；606_帶電噴嘴；607_凸輪；608-凸輪傳動(dòng)軸；609-噴壺固定夾；610_噴壺；611_噴壺噴嘴；612_真空泵；613_連接管；614-污物收集箱；615-吸除嘴；616_夾子；617_手術(shù)刀；618_醫(yī)用縫合膠；619_旋轉(zhuǎn)柄。
【具體實(shí)施方式】
[0048]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0049]如圖1所示，本發(fā)明提供的一種韌性組織結(jié)構(gòu)為立體結(jié)構(gòu)，包括纖維層101和水凝膠層102 ;所述立體結(jié)構(gòu)為立方體(圖1)、圓柱體(圖2)或模擬體內(nèi)組織器官的具體形態(tài)。所述纖維層101和水凝膠層102在空間內(nèi)交替排列；所述纖維層101為高分子纖維，該高分子纖維呈有序或無序排列狀態(tài)；高分子纖維采用聚酯、聚氨酯、聚乙烯、聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、膨體聚四氟乙烯、聚乳酸、硅橡膠、羥甲基纖維素鈉、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、糖類、絲素蛋白、膠原蛋白和彈性蛋白中的至少一種。所述水凝膠層102為高分子水凝膠，該高分子水凝膠含或不含細(xì)胞；所述細(xì)胞為成纖維細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、漿細(xì)胞、肥大細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、間充質(zhì)細(xì)胞和白細(xì)胞中的至少一種；細(xì)胞密度為IXlO2~IXlO9個(gè)/mL。所述高分子水凝膠為明膠、海藻酸鈉、纖維蛋白原、膠原、基質(zhì)膠、卡拉膠、殼聚糖、瓊脂、透明質(zhì)酸、基質(zhì)膠、彈性蛋白、層粘素、聚乙烯醇和聚乙二醇中的至少一種；所述高分子水凝膠的質(zhì)量體積濃度為0.1~20% ;所述纖維層101的尺寸在長(zhǎng)度、寬度和高度至少一個(gè)方向上大于其相鄰水凝膠層102的尺寸。所述纖維層的厚度為IOnm~IOmm,所述水凝膠層的厚度為10 μ m~10mm。所述纖維層的有序排列狀態(tài)為平行狀、放射狀、交叉狀、網(wǎng)狀、紡織狀或環(huán)扣狀。所述纖維層的纖維間的孔隙或間隙尺寸為5nm~2_。
[0050]如圖4所示，本發(fā)明提供的一種制備韌性組織結(jié)構(gòu)的3D打印成形設(shè)備，包括多噴頭快速成形系統(tǒng)402、掃描成像系統(tǒng)401、傳送系統(tǒng)403和控制系統(tǒng)404。所述傳送系統(tǒng)403一端位于多噴頭快速成形系統(tǒng)402下方，另一端穿過掃描成像系統(tǒng)401 ;所述多噴頭快速成形系統(tǒng)402包括X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、噴頭固定裝置406和成形臺(tái)405。所述噴頭固定裝置設(shè)置在X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，并沿X向運(yùn)動(dòng)，所述X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌502和X向電機(jī)503 (見圖5);所述噴頭固定裝置406包括成形打印組件408，所述成形打印組件408含有外科手術(shù)組件和噴頭組件，并在XY平面和Z向移動(dòng)；所述噴頭組件包括螺桿擠壓噴頭、電紡絲噴頭和噴霧噴頭至少一種，以及吸除組件和夾持組件。述所述多噴頭快速成形系統(tǒng)402、掃描成像系統(tǒng)401和傳送系統(tǒng)403由數(shù)據(jù)線路分別與控制系統(tǒng)404連接；所述掃描成像系統(tǒng)401將掃描所得信號(hào)傳送至控制系統(tǒng)404，由控制系統(tǒng)404處理后得到指令信號(hào)并將指令信號(hào)發(fā)送至快速成形系統(tǒng)402和傳送系統(tǒng)403。
[0051 ]如圖4和圖5d所示，本發(fā)明的設(shè)備還包括至少一個(gè)工業(yè)機(jī)器人407，該機(jī)器人安裝在所述成形臺(tái)405的側(cè)邊，每個(gè)機(jī)器人包括成形打印組件408，成形打印組件408含有外科手術(shù)組件和噴頭組件，并在空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
[0052]如圖5a所示，噴頭固定裝置406采用方形結(jié)構(gòu)，方形結(jié)構(gòu)包括多條相互平行的Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在每條Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上裝有Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述成形打印組件408安裝在Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，其中Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括Y向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌505和Y向電機(jī)506，Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括Z向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌507和Z向電機(jī)508。如圖5b所示，噴頭固定裝置406采用圓形結(jié)構(gòu)，該圓形結(jié)構(gòu)包括多條徑向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在每條徑向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上裝有Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述成形打印組件408安裝在徑向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，其中徑向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括徑向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌511和徑向電機(jī)512，Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括Z向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌507和Z向運(yùn)動(dòng)電機(jī)508。
[0053]如圖6f所示，外科手術(shù)組件包括手術(shù)刀617、醫(yī)用縫合膠618、電機(jī)602和旋轉(zhuǎn)臂619 ;手術(shù)刀617和醫(yī)用縫合膠618分別安裝在旋轉(zhuǎn)臂619上，該旋轉(zhuǎn)臂由電機(jī)602驅(qū)動(dòng)。如圖6c和6h所示，噴霧噴頭組件包括電機(jī)602、凸輪607、凸輪帶動(dòng)軸608、噴壺610、噴壺固定夾609和噴壺噴嘴611 ;所述電機(jī)602依靠凸輪傳動(dòng)軸608帶動(dòng)凸輪607旋轉(zhuǎn)，所述凸輪607與噴壺610頂部接觸。如圖6d所示，吸除組件含真空泵612、吸除嘴615、連接管613和污物收集箱614 ;所述真空泵612 —側(cè)由連接管613連在吸除嘴上615，另一側(cè)由連接管613連在污物收集箱614上。如圖6a所示，螺桿擠壓噴頭包括螺桿601、電機(jī)602、固定夾603、注射器604和噴嘴605，電機(jī)通過螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓注射器，使得材料擠出。如圖3b和3g所不，電紡絲噴頭包括螺桿601、電機(jī)602、固定夾603、注射器604和帶電噴嘴606,電機(jī)通過螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓注射器，使得材料擠出，材料在電場(chǎng)作用下在成形臺(tái)上成形。如圖6e所示，夾持組件包括夾子616和電機(jī)602，夾子可對(duì)成形結(jié)構(gòu)體進(jìn)行轉(zhuǎn)移。 [0054]本發(fā)明利用上述3D打印成形設(shè)備制備韌性組織結(jié)構(gòu)，該制備方法包括體內(nèi)直接打印成形方法或體外打印成形方法，所述方法包括如下步驟:
[0055]I)體內(nèi)直接打印成形:
[0056]a)由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所述韌性組織結(jié)構(gòu)的三維模型，或者由掃描成像系統(tǒng)掃描病變部位得到韌性組織結(jié)構(gòu)的三維模型，并由計(jì)算機(jī)分配打印成形路徑；利用所述掃描成像系統(tǒng)將病變部位掃描所得信號(hào)傳送至控制系統(tǒng)404進(jìn)行處理得到指令信號(hào)，并將指令信號(hào)發(fā)送至快速成形系統(tǒng)402和傳送系統(tǒng)403 ；b)將配制好的質(zhì)量體積濃度為0.1~20%的高分子水凝膠和高分子纖維原材料分別裝載到所述3D打印設(shè)備的不同噴頭組件中，該水凝膠含或不含細(xì)胞；c)依據(jù)步驟a)的指令信號(hào)，利用所述傳送系統(tǒng)403將病人轉(zhuǎn)移至快速成形系統(tǒng)402下方，利用外科手術(shù)組件進(jìn)行病變部位微創(chuàng)切口，為打印成形預(yù)留空間；由所述噴頭組件中的吸除組件吸除部分或全部病變組織；d)制備水凝膠層:依據(jù)步驟a)的三維模型，利用所述3D打印成形設(shè)備的快速成形系統(tǒng)打印配制好的高分子水凝膠于病變部位，得到水凝膠層；e)制備纖維層:依據(jù)步驟a)的三維模型，在步驟d)的已成形的水凝膠層上，利用所述3D打印成形設(shè)備打印得到纖維層，或?qū)⒗w維層直接鋪設(shè)在已打印的水凝膠層上；f)利用所述傳送系統(tǒng)403將病人轉(zhuǎn)移至掃描成像系統(tǒng)401得到成形部位的反饋信號(hào)并由計(jì)算機(jī)處理，決定后續(xù)打印步驟；g)重復(fù)步驟d)~f)，最終得到所述韌性組織結(jié)構(gòu)；h)利用所述傳送系統(tǒng)403病人轉(zhuǎn)移至快速成形系統(tǒng)402下方，利用醫(yī)用縫合膠進(jìn)行創(chuàng)口縫合，手術(shù)結(jié)束；
[0057]2)體外打印成形:
[0058]a)由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所述韌性組織結(jié)構(gòu)的立體模型，或者由醫(yī)學(xué)成像技術(shù)掃描病變部位得到所述韌性組織結(jié)構(gòu)的三維模型，并由計(jì)算機(jī)分配打印成形路徑；b)將配制好的質(zhì)量體積濃度為0.1~20%的高分子水凝膠和高分子纖維原材料分別裝載到所述3D打印設(shè)備的不同噴頭中，該水凝膠含或不含細(xì)胞；c)制備水凝膠層:依據(jù)步驟a)的三維模型，利用所述3D打印成形設(shè)備的快速成形系統(tǒng)打印配制好的高分子水凝膠，在成形臺(tái)上得到水凝膠層；d)制備纖維層:依據(jù)步驟a)的三維模型，在步驟c)的已成形的水凝膠層上，利用所述3D打印成形設(shè)備的快速成形系統(tǒng)打印得到纖維層，或?qū)⒗w維層直接鋪設(shè)在已打印水凝膠層上；e)重復(fù)步驟c)~d)，最終得到所述韌性組織結(jié)構(gòu)；f)韌性組織結(jié)構(gòu)植入:利用傳送系統(tǒng)403將病人轉(zhuǎn)移至快速成形系統(tǒng)402下方，利用所述3D打印設(shè)備的外科手術(shù)組件進(jìn)行病變部位微創(chuàng)切口，由吸除組件吸除部分或全部病變組織；利用所述夾持組件將步驟e)所得韌性組織結(jié)構(gòu)移入病變部位；進(jìn)行創(chuàng)口縫合，手術(shù)結(jié)束。
[0059]下面舉出幾個(gè)具體的實(shí)施例，以進(jìn)一步理解本發(fā)明。
[0060]實(shí)施例1:利用3D打印技術(shù)在體外制備一種韌帶組織結(jié)構(gòu)，并植入體內(nèi)。
[0061]I)細(xì)胞和水凝膠的準(zhǔn)備:提取人成纖維細(xì)胞，將成纖維細(xì)胞傳代培養(yǎng)備用；將明膠粉末溶于磷酸鹽緩沖液中制備質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)為15%的水凝膠；將成纖維細(xì)胞混入上述水凝膠，得到細(xì)胞濃度為I X IO6個(gè)/mL的細(xì)胞-水凝膠材料體系；將該細(xì)胞-水凝膠材料裝入3D打印的螺桿擠壓噴頭中；
[0062]2)纖維材料的制備:加熱聚己內(nèi)酯使之融化，將融化的聚己內(nèi)酯裝入3D打印的電紡絲嗔頭備用；
[0063]3)模型設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)韌帶組織結(jié)構(gòu)的三維模型，由計(jì)算機(jī)分配纖維層和水凝膠層的打印路徑；
[0064]4)成形過程:由計(jì)算機(jī)控制3D打印設(shè)備，首先由螺桿擠壓噴頭擠出細(xì)胞-水凝膠材料于成形臺(tái)上，按照預(yù)定路徑，得到2mm厚的水凝膠層；其次由電紡絲噴頭成形熔融的聚己內(nèi)酯纖維，纖維為平行排列和隨機(jī)排列兩種狀態(tài)，得到200μπι厚的纖維層；重復(fù)上述操作，在成形臺(tái)上得到水凝膠層和纖維層交替排列的韌帶組織結(jié)構(gòu)；
[0065]5)植入過程:經(jīng)掃描成像系統(tǒng)將病變部位信號(hào)傳輸至控制系統(tǒng)進(jìn)行處理得到指令信號(hào)；在控制信號(hào)的指揮下，由3D打印設(shè)備的外科手術(shù)組件對(duì)病變部位進(jìn)行切口，并由3D打印設(shè)備的吸除組件將病變部位的韌帶進(jìn)行部分吸除，之后由3D打印設(shè)備的夾持組件將步驟4)中得到的韌帶組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至病變部位，最后用3D打印設(shè)備的醫(yī)用縫合膠進(jìn)行創(chuàng)口縫合，手術(shù)結(jié)束。
[0066]實(shí)施例2:利用3D打印技術(shù)在體外制備一種韌帶組織結(jié)構(gòu)，并植入體內(nèi)。
[0067]I)細(xì)胞懸浮液的準(zhǔn)備:提取人成纖維細(xì)胞，將成纖維細(xì)胞傳代培養(yǎng)備用，制備該細(xì)胞的細(xì)胞懸浮液，細(xì)胞濃度為I X IO6個(gè)/mL，將該細(xì)胞懸浮液裝入3D打印設(shè)備的噴霧式嗔頭；
[0068]2)水凝膠的準(zhǔn)備:將明膠粉末溶于磷酸鹽緩沖液中制備質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)為15%的水凝膠，將水凝膠裝入3D打印設(shè)備的螺桿擠壓噴頭中；
[0069]3)纖維材料的制備:將聚氨酯材料溶于四乙二醇溶液中，得到質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)為10%的溶液，將該溶液裝入3D打印設(shè)備的螺桿擠壓噴頭中；
[0070]4)模型設(shè)計(jì):由掃描成像系統(tǒng)掃描病人韌帶損傷部位，得到韌帶組織結(jié)構(gòu)的三維模型，由計(jì)算機(jī)分配纖維層和水凝膠層的打印路徑；
[0071]5)成形過程:由螺桿擠壓噴頭擠出水凝膠材料，按照預(yù)定路徑，得到2mm厚的水凝膠層；其次由噴灑式噴頭在已成形的水凝膠層噴灑細(xì)胞懸浮液；之后利用螺桿擠壓噴頭擠壓聚氨酯溶液，得到網(wǎng)狀排列的纖維，并立即用磷酸鹽溶液萃取移除四乙二醇溶液，由吸除組件吸除多余溶液，得到200 μ m厚的纖維層；重復(fù)上述操作，得到水凝膠層、細(xì)胞和纖維層交替排列的韌帶組織結(jié)構(gòu)；
[0072] 6)植入過程:經(jīng)掃描成像系統(tǒng)將病變部位信號(hào)傳輸至控制系統(tǒng)進(jìn)行處理得到指令信號(hào)；在控制信號(hào)的指揮下，由3D打印設(shè)備的外科手術(shù)組件對(duì)病變部位進(jìn)行切口，并由3D打印設(shè)備的吸除組件將病變部位的韌帶進(jìn)行部分吸除，之后由3D打印設(shè)備的夾持組件將步驟5)中得到的韌帶組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至病變部位，最后用3D打印設(shè)備的醫(yī)用縫合膠進(jìn)行創(chuàng)口縫合，手術(shù)結(jié)束。
[0073]實(shí)施例3:利用3D打印技術(shù)直接在體內(nèi)成形一種跟腱。
[0074]I)細(xì)胞懸浮液的準(zhǔn)備:提取人成纖維細(xì)胞和脂肪干細(xì)胞，將這兩種細(xì)胞傳代培養(yǎng)備用，制備這兩種細(xì)胞的細(xì)胞懸浮液，細(xì)胞濃度為I X IO6個(gè)/mL，將該細(xì)胞懸浮液裝入3D打印設(shè)備的噴霧式式噴頭；
[0075]2)水凝膠的準(zhǔn)備:將海藻酸鈉和明膠粉末分別溶于磷酸鹽緩沖液中制備質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)為5%的水凝膠，該水凝膠裝入3D打印設(shè)備的螺桿擠壓噴頭中；
[0076]3)纖維材料的制備:將聚乳酸聚乙醇酸共聚物材料溶于1，4-二氧六環(huán)溶液中，得到質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)為5%的溶液，將該溶液裝入3D打印設(shè)備的螺桿擠壓噴頭中；
[0077]4)模型設(shè)計(jì):由掃描成像系統(tǒng)掃描病人韌帶損傷部位，由計(jì)算機(jī)分配纖維層和水凝膠層的打印路徑；
[0078]5)成形過程:依據(jù)掃描成像系統(tǒng)得到的病變部位信號(hào)，由計(jì)算機(jī)控制3D打印設(shè)備，首先由外科手術(shù)組件對(duì)病變部位進(jìn)行微創(chuàng)切口 ；再由吸除組件吸除部分病變部位韌帶組織；在病變切口部位，由3D打印設(shè)備的螺桿擠壓噴頭擠出水凝膠材料，按照預(yù)定路徑，得到2mm厚的水凝膠層；其次由噴霧式噴頭組件在已成形的水凝膠層噴涂細(xì)胞懸浮液；之后利用螺桿擠壓噴頭擠壓聚乳酸聚乙醇酸共聚物溶液，得到放射狀排列的纖維，立即用磷酸鹽溶液萃取移除四乙二醇溶液，并利吸除組件吸除多余液體，得到200 μ m厚的纖維層；重復(fù)上述操作，得到水凝膠層、細(xì)胞和纖維層交替排列結(jié)構(gòu)；成形結(jié)束后，利用醫(yī)用縫合膠縫合傷口，手術(shù)結(jié)束。
[0079]實(shí)施例4:利用3D打印技術(shù)在體外制備一種跟腱組織結(jié)構(gòu)。
[0080]I)細(xì)胞和水凝膠的準(zhǔn)備:提取人成纖維細(xì)胞和肌腱細(xì)胞，將這兩種細(xì)胞傳代培養(yǎng)備用；將明膠粉末溶于磷酸鹽緩沖液中，得到質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)為10%的水凝膠；將上述兩種細(xì)胞混入上述水凝膠，得到細(xì)胞濃度為I X IO7個(gè)/mL的細(xì)胞-水凝膠材料體系；將該細(xì)胞-水凝膠材料裝入3D打印的螺桿擠壓噴頭中；
[0081]2)纖維材料的制備:將膠原粉末溶解于醋酸，得到質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)為0.5%的溶液，將該溶液裝入3D打印電紡絲噴頭備用；
[0082]3)模型設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)跟腱組織結(jié)構(gòu)的三維模型，由計(jì)算機(jī)分配纖維層和水凝膠層的打印路徑；
[0083]4)成形過程:由計(jì)算機(jī)控制3D打印設(shè)備，首先由螺桿擠壓噴頭擠出細(xì)胞-水凝膠材料，按照預(yù)定路徑，得到5mm厚的水凝膠層；其次由電紡絲噴頭噴涂上述膠原的醋酸溶液，在上述水凝膠層上得到纖維層，纖維形態(tài)部分交叉排列，部分平行排列，得到2mm厚的纖維層；重復(fù)上述操作，得到水凝膠層和纖維層交替排列的跟腱組織結(jié)構(gòu)。
[0084]實(shí)施例5:利用3D打印技術(shù)在體外制備一種跟腱組織結(jié)構(gòu)。
[0085]I)細(xì)胞和水凝膠的準(zhǔn)備:提取人成纖維細(xì)胞、肌腱細(xì)胞和脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞，將這三種細(xì)胞傳代培養(yǎng)備用；將明膠粉末溶于磷酸鹽緩沖液中，得到質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)為10%的水凝膠；將上述兩種細(xì)胞混入上述水 凝膠，得到細(xì)胞濃度為I X IO7個(gè)/mL的細(xì)胞-水凝膠材料體系；將該細(xì)胞-水凝膠材料裝入3D打印的螺桿擠壓噴頭中；
[0086]2)纖維材料的制備:采購(gòu)蠶絲紡織物，并按需裁剪；
[0087]3)模型設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)跟腱組織結(jié)構(gòu)的三維模型，由計(jì)算機(jī)分配水凝膠層的打印路徑;
[0088]4)成形過程:由計(jì)算機(jī)控制所述3D打印設(shè)備的快速成形系統(tǒng)，首先由螺桿擠壓噴頭擠出細(xì)胞-水凝膠材料，按照預(yù)定路徑，得到5_厚的水凝膠層；其次將若干層將蠶絲紡織物置于水凝膠層上方，作為纖維層；重復(fù)上述操作，得到水凝膠層和纖維層交替排列的跟腱組織結(jié)構(gòu)。
[0089]實(shí)施例6:利用3D打印技術(shù)直接在體內(nèi)成形一種腱膜組織結(jié)構(gòu)。
[0090]I)細(xì)胞和水凝膠的準(zhǔn)備:提取人成纖維細(xì)胞和肌腱細(xì)胞，將這兩種細(xì)胞傳代培養(yǎng)備用；將明膠粉末溶于磷酸鹽緩沖液中，得到質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)為10%的水凝膠；將上述兩種細(xì)胞混入上述水凝膠，得到細(xì)胞濃度為I X IO7個(gè)/mL的細(xì)胞-水凝膠材料體系；將該細(xì)胞-水凝膠材料裝入3D打印的螺桿擠壓噴頭中；
[0091]2)纖維材料的制備:將融化的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)置于3D打印的螺桿擠壓噴頭中，待用；[0092]3)模型設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)跟腱組織結(jié)構(gòu)的三維模型，由計(jì)算機(jī)分配纖維層和水凝膠層的打印路徑；
[0093]4)成形過程:依據(jù)掃描成像系統(tǒng)得到的病變部位信號(hào)，由計(jì)算機(jī)控制3D打印設(shè)備，由外科手術(shù)組件對(duì)病變部位進(jìn)行微創(chuàng)切口，再由吸除組件吸除部分病變部位腱膜組織；由3D打印設(shè)備的螺桿擠壓噴頭在病變部位擠出水凝膠-細(xì)胞材料，按照預(yù)定路徑，得到
0.5mm厚的水凝膠層；其次由螺桿擠壓噴頭打印成形熔融態(tài)的ABS，得到環(huán)扣狀的纖維層，層厚0.5mm ;重復(fù)上述操作，得到水凝膠層、細(xì)胞和纖維層交替排列結(jié)構(gòu)腱膜組織結(jié)構(gòu)；成形結(jié)束后，利用醫(yī)用縫合膠縫合傷口，手術(shù)結(jié)束。
【權(quán)利要求】
1.一種韌性組織結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述韌性組織結(jié)構(gòu)為立體結(jié)構(gòu)，包括纖維層(101)和水凝膠層(102);所述纖維層(101)和水凝膠層(102)在空間內(nèi)交替排列；所述纖維層(101)為高分子纖維，該高分子纖維呈有序或無序排列狀態(tài)；所述水凝膠層(102)為高分子水凝膠，該高分子水凝膠含或不含細(xì)胞；所述高分子水凝膠的質(zhì)量體積濃度為0.1~20% ；所述纖維層(101)的尺寸在長(zhǎng)度、寬度和高度至少一個(gè)方向上大于其相鄰水凝膠層(102)的尺寸。
2.如權(quán)利要求1所述的一種韌性組織結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述纖維層的厚度為IOnm~10mm,所述水凝膠層的厚度為10μm~10mm。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種韌性組織結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述纖維層的有序排列狀態(tài)為平行狀、放射狀、交叉狀、網(wǎng)狀、紡織狀或環(huán)扣狀。
4.如權(quán)利要求1所述的一種韌性組織結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述立體結(jié)構(gòu)為立方體、圓柱體或模擬體內(nèi)組織器官的具體形態(tài)。
5.如權(quán)利要求1所述的一種韌性組織結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述纖維層的纖維間的孔隙或間隙尺寸為5nm~2_。
6.如權(quán)利要求1所述的一種韌性組織結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述水凝膠層所含細(xì)胞為成纖維細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、漿細(xì)胞、肥大細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、間充質(zhì)細(xì)胞和白細(xì)胞中的至少一種；所述細(xì)胞密度為I X 102~I X 109個(gè)/mL。
7.如權(quán)利要求1所述的一種韌性組織結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述高分子纖維采用聚酯、聚氨酯、聚乙烯、聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、膨體聚四氟乙烯、聚乳酸、硅橡膠、羥甲基纖維素鈉、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、糖類、絲素蛋白、膠原蛋白和彈性蛋白中的至少一種；所述高分子水凝膠為明膠、海藻酸鈉、纖維蛋白原、膠原、基質(zhì)膠、卡拉膠、殼聚糖、瓊脂、透明質(zhì)酸、基質(zhì)膠、彈性蛋白、層粘素、聚乙烯醇和聚乙二醇中的至少一種。
8.如權(quán)利要求1所述的一種韌性組織結(jié)構(gòu)的3D打印成形設(shè)備，其特征在于:所述設(shè)備包括多噴頭快速成形系統(tǒng)(402)、掃描成像系統(tǒng)(401)、傳送系統(tǒng)(403)和控制系統(tǒng)(404)；所述傳送系統(tǒng)(403) —端位于多噴頭快速成形系統(tǒng)(402)下方，另一端穿過掃描成像系統(tǒng)(401);所述多噴頭快速成形系統(tǒng)(402)包括X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、噴頭固定裝置(406)和成形臺(tái)(405);所述噴頭固定裝置設(shè)置在X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，并沿X向運(yùn)動(dòng)；所述噴頭固定裝置(406)包括成形打印組件(408)，所述成形打印組件(408)含有外科手術(shù)組件和噴頭組件，并在XY平面和Z向移動(dòng)；述所述多噴頭快速成形系統(tǒng)(402)、掃描成像系統(tǒng)(401)和傳送系統(tǒng)(403)由數(shù)據(jù)線路分別與控制系統(tǒng)(404)連接；所述掃描成像系統(tǒng)(401)將掃描所得信號(hào)傳送至控制系統(tǒng)(404)，由控制系統(tǒng)(404)處理后得到指令信號(hào)并將指令信號(hào)發(fā)送至快速成形系統(tǒng)(402)和傳送系統(tǒng)(403)。
9.如權(quán)利要求8所述的一種韌性組織結(jié)構(gòu)的3D打印成形設(shè)備，其特征在于:所述設(shè)備還包括至少一個(gè)工業(yè)機(jī)器人(407)，該機(jī)器人安裝在所述成形臺(tái)(405)的側(cè)邊，每個(gè)機(jī)器人包括成形打印組件(408)，成形打印組件(408)含有外科手術(shù)組件和噴頭組件，并在空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
10.如權(quán)利要求8所述的一種韌性組織結(jié)構(gòu)的3D打印成形設(shè)備，其特征在于:所述噴頭固定裝置(406)采用方形結(jié)構(gòu)，方形結(jié)構(gòu)包括多條相互平行的Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在每條Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上裝有Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述成形打印組件(408)安裝在Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上。
11.如權(quán)利要求8所述的一種韌性組織結(jié)構(gòu)的3D打印成形設(shè)備，其特征在于:所述噴頭固定裝置(406)采用圓形結(jié)構(gòu)，該圓形結(jié)構(gòu)包括多條徑向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在每條徑向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上裝有Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述成形打印組件(408)安裝在徑向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上。
12.如權(quán)利要求8~11任一權(quán)利要求所述的一種韌性組織結(jié)構(gòu)的3D打印成形設(shè)備，其特征在于:所述噴頭組件包括螺桿擠壓噴頭、電紡絲噴頭和噴霧噴頭至少一種，以及吸除組件和夾持組件。
13.如權(quán)利要求12所述的一種韌性組織結(jié)構(gòu)的3D打印成形設(shè)備，其特征在于:所述吸除組件含真空泵(612)、吸除嘴(615)、連接管(613)和污物收集箱(614);所述真空泵(612) 一側(cè)由連接管(613)連在吸除嘴上(615)，另一側(cè)由連接管(613)連在污物收集箱(614)上。
14.一種采用如權(quán)利要求8或9所述3D打印成形設(shè)備制備韌性組織結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該方法包括體內(nèi)直接打印成形方法或體外打印成形方法，所述方法包括如下步驟: 1)體內(nèi)直接打印成形: a)由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所述韌性組織結(jié)構(gòu)的三維模型，或者由掃描成像系統(tǒng)掃描病變部位得到韌性組織結(jié)構(gòu)的三維模型，并由計(jì)算機(jī)分配打印成形路徑；利用所述掃描成像系統(tǒng)將病變部位掃描所得信號(hào)傳送至控制系統(tǒng)(404)進(jìn)行處理得到指令信號(hào)，并將指令信號(hào)發(fā)送至快速成形系統(tǒng)(402)和傳送系統(tǒng)(403)； b)將配制好的質(zhì)量體積濃度為0.1~20%的高分子水凝膠和高分子纖維原材料分別裝載到所述3D打印設(shè)備的不同噴頭組件中，該水凝膠含或不含細(xì)胞； c)依據(jù)步驟a)的指令信號(hào)，利用所述傳送系統(tǒng)(403)將病人轉(zhuǎn)移至快速成形系統(tǒng)(402)下方，利用外科手術(shù)組件進(jìn)行病變部位微創(chuàng)切口，為打印成形預(yù)留空間；由所述噴頭組件中的吸除組件吸除部分或全部病變組織； d)制備水凝膠層:依據(jù)步驟a)的三維模型，利用所述3D打印成形設(shè)備的快速成形系統(tǒng)打印配制好的高分子水凝膠于病變部位，得到水凝膠層； e)制備纖維層:依據(jù)步驟a)的三維模型，在步驟d)的已成形的水凝膠層上，利用所述3D打印成形設(shè)備打印得到纖維層，或?qū)⒗w維層直接鋪設(shè)在已打印的水凝膠層上； f)利用所述傳送系統(tǒng)(403)將病人轉(zhuǎn)移至掃描成像系統(tǒng)(401)得到成形部位的反饋信號(hào)并由計(jì)算機(jī)處理，決定后續(xù)打印步驟； g)重復(fù)步驟d)~f)，最終得到所述韌性組織結(jié)構(gòu)； h)利用所述傳送系統(tǒng)(403)將病人轉(zhuǎn)移至快速成形系統(tǒng)(402)下方，利用醫(yī)用縫合膠進(jìn)行創(chuàng)口縫合，手術(shù)結(jié)束； 2)體外打印成形: a)由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所述韌性組織結(jié)構(gòu)的立體模型，或者由醫(yī)學(xué)成像技術(shù)掃描病變部位得到所述韌性組織結(jié)構(gòu)的三維模型，并由計(jì)算機(jī)分配打印成形路徑； b)將配制好的質(zhì)量體積濃度為0.1~20%的高分子水凝膠和高分子纖維原材料分別裝載到所述3D打印設(shè)備的不同噴頭中，該水凝膠含或不含細(xì)胞； c)制備水凝膠層:依據(jù)步驟a)的三維模型，利用所述3D打印成形設(shè)備的快速成形系統(tǒng)打印配制好的高分子水凝膠，在成形臺(tái)上得到水凝膠層； d)制備纖維層:依據(jù)步驟a)的三維模型，在步驟c)的已成形的水凝膠層上，利用所述3D打印成形設(shè)備的快速成形系統(tǒng)打印得到纖維層，或?qū)⒗w維層直接鋪設(shè)在已打印水凝膠層上； e)重復(fù)步驟c)~d)，最終得到所述韌性組織結(jié)構(gòu)； f)韌性組織結(jié)構(gòu)植入:利用傳送系統(tǒng)(403)將病人轉(zhuǎn)移至快速成形系統(tǒng)(402)下方，利用所述3D打印設(shè)備的 外科手術(shù)組件進(jìn)行病變部位微創(chuàng)切口，由吸除組件吸除部分或全部病變組織；利用所述夾持組件將步驟e)所得韌性組織結(jié)構(gòu)移入病變部位；進(jìn)行創(chuàng)口縫合，手術(shù)結(jié)束。
【文檔編號(hào)】A61L27/18GK103919629SQ201410158895
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】王小紅, 許雨帆 申請(qǐng)人:清華大學(xué)