一種醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)及其制備方法和專用設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)及其制備方法和專用設(shè)備，屬于生物、醫(yī)療和醫(yī)療器械【技術(shù)領(lǐng)域】。所述醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)包括由含或不含細(xì)胞的生物材料制成的中空管、粘附在中空管上的含或不含細(xì)胞的功能層和合成高分子保護(hù)膜。本發(fā)明基于粘附交聯(lián)固化原理，在計(jì)算機(jī)控制下，先由專用噴頭擠壓出中空管，再將生物材料噴涂粘附到中空管上形成功能層，然后逐層堆積形成復(fù)合成形體，最后將合成高分子溶液噴在復(fù)合成形體外表面形成保護(hù)膜。按照設(shè)定的成形步驟，最終制造出具有空間復(fù)雜形狀和空隙結(jié)構(gòu)的含合成高分子材料、細(xì)胞和天然生物材料的三維結(jié)構(gòu)體。本發(fā)明可在常溫下成型，工藝簡單，細(xì)胞成活率高且分布均勻可控，具有良好的力學(xué)和生物學(xué)性能。
【專利說明】一種醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)及其制備方法和專用設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于組織器官制造【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)及其制備方法和專用設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]大塊組織(如骨、軟骨、乳房，肌肉、皮膚)及內(nèi)臟器官(如心、肝、脾、肺、腎等)，是人體的重要組成部分，由于疾病、創(chuàng)傷和老化引起的相關(guān)損傷和功能障礙，嚴(yán)重危害人體健康和生命質(zhì)量。傳統(tǒng)的臨床方法，目前還存在許多局限性，特別是不能實(shí)現(xiàn)體外重建細(xì)胞受控分布的結(jié)構(gòu)體。而制造科學(xué)和生命科學(xué)的交叉融合，催生了細(xì)胞受控組裝技術(shù)，這一技術(shù)，為體外直接構(gòu)建具有新陳代新機(jī)能的器官替代物開辟了新途徑。
[0003]低溫沉積制造工藝(LDM)是由清華大學(xué)機(jī)械系材料加工技術(shù)研究所針對(duì)生物材料成形的特殊要求而開發(fā)的新工藝。低溫沉積制造是指將支架材料制成液態(tài)，經(jīng)由噴頭，將溶液以絲狀擠出，在低溫成形室中堆積成形。
[0004]低溫沉積制造具體的工藝過程一般采用如下工藝方法:
[0005]1)用三維建模軟件建立三維模型，用分層處理軟件將模型分層，得到用于成形的坐標(biāo)代碼。
[0006]2)選擇實(shí)驗(yàn)的材料，按照合適的比例配制溶液，制成備用。
[0007]3)將材料加入到成形設(shè)備的各噴頭的噴射器中，計(jì)算機(jī)中的控制軟件根據(jù)輸入的層片文件和設(shè)定的加工參數(shù)控制各噴頭的掃描運(yùn)動(dòng)和擠壓、噴射運(yùn)動(dòng)。在低溫成形室中，從噴頭中出來的材料迅速凝固且相互粘接在一起，堆積成形冷凍支架。
[0008]4)將冷凍支架放入冷凍干燥機(jī)中，進(jìn)行冷凍干燥處理，去除溶劑，得到常溫下為固態(tài)的支架。在此過程中，溶劑的升華使冷凍支架內(nèi)產(chǎn)生微孔結(jié)構(gòu)。
[0009]目前清華大學(xué)機(jī)械系已經(jīng)有了相應(yīng)的單噴頭和雙噴頭的三維支架受控成型裝置，并且對(duì)噴頭的設(shè)計(jì)和成形性能做了相關(guān)研究，設(shè)計(jì)并制作了活塞擠壓噴頭。如清華大學(xué)先進(jìn)制造快速成形實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的CLRF-2000-1I型生物材料快速成形機(jī)。
[0010]然而，人體中的復(fù)雜組織或器官一般都是由兩種或兩種以上不同細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，而且各個(gè)結(jié)構(gòu)間相互聯(lián)系。隨著研究的不斷深入，對(duì)非均質(zhì)多種不同材料三維結(jié)構(gòu)的成形提出了要求。原有的單噴頭和雙噴頭無法滿足復(fù)雜組織器官快速制造的要求；
[0011]中國專利文獻(xiàn)(申請(qǐng)?zhí)?01110205970.1)涉及一種固定式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)，噴射裝置為兩個(gè)固定式的電機(jī)助推式噴頭，成形臺(tái)設(shè)置在三維運(yùn)動(dòng)裝置上，不同噴頭組件裝有不同的成形材料；所有噴頭在同一平面內(nèi)，切換噴頭時(shí)三維運(yùn)動(dòng)裝置使工作噴頭與成形臺(tái)對(duì)正。步進(jìn)電機(jī)固定在Z向運(yùn)動(dòng)裝置支架上，螺桿在直線步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下可對(duì)噴頭內(nèi)的成形材料施加一定的壓力，成形材料隨即從噴嘴噴出，加熱棒和隔熱外套安裝在噴頭下段使噴頭內(nèi)的成形材料保持設(shè)定的溫度。
[0012]此種設(shè)計(jì)簡單可靠，但是，固定式多噴頭成形系統(tǒng)有以下不足之處:1)低溫沉積制造需要零下40度的低溫環(huán)境，低溫會(huì)對(duì)細(xì)胞的成活率產(chǎn)生不利影響，并且需要添加凍存劑，工藝較為復(fù)雜。2)原有系統(tǒng)只有兩個(gè)噴頭，即能使用兩種材料，但是復(fù)雜組織器官都包含有多種材料和細(xì)胞，現(xiàn)有設(shè)備不能滿足復(fù)雜組織器官前體的制造。3)形成體內(nèi)部的細(xì)胞分布濃度不均勻，細(xì)胞濃度的高低隨即性較大，單個(gè)細(xì)胞無法準(zhǔn)確定位、編碼。4)無法對(duì)成形體側(cè)表面進(jìn)行噴涂，電機(jī)助推式快速成形噴頭需要豎直安裝，如果進(jìn)行水平安裝，則漿料從噴嘴擠出后會(huì)在自身重力的作用下滴落，無法在成形體側(cè)表面附著。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明針對(duì)已有技術(shù)的不足之處，提供一種醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)及其制備方法和專用設(shè)備，本發(fā)明基于粘附交聯(lián)固化技術(shù)，使其實(shí)現(xiàn)多種材料和細(xì)胞在常溫環(huán)境下的準(zhǔn)確成形以及單個(gè)細(xì)胞準(zhǔn)確定位，進(jìn)一步提高成形的靈活性和細(xì)胞分布的準(zhǔn)確度。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:[0015]一種醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)包括逐層堆積的含或不含細(xì)胞的中空管、在中空管上粘附有含或不含細(xì)胞的功能層和合成高分子保護(hù)膜；所述的中空管分布于保護(hù)膜內(nèi)部，中空管的兩個(gè)端口伸出保護(hù)膜外；所述的功能層為含或不含細(xì)胞的天然高分子水溶液或水凝膠，并與中空管構(gòu)成復(fù)合成形體；所述保護(hù)膜位于復(fù)合成形體外部，為合成高分子材料；中空管由天然高分子溶液與交聯(lián)劑混合交聯(lián)固化后形成，其中天然高分子溶液中含或不含細(xì)胞。
[0016]上述技術(shù)方案中，所述逐層堆積的中空管中的每層中空管為平行排列的四邊形、蛇型、波浪形或圓形，或按臨床需要設(shè)計(jì)個(gè)性化結(jié)構(gòu)；相鄰兩層中空管交叉排列，中空管內(nèi)徑為0.01~5mm。所述含或不含細(xì)胞的功能層的厚度優(yōu)選在0.01~0.1mm。所述保護(hù)膜為多孔結(jié)構(gòu)，膜厚度優(yōu)選為0.01~20mm。
[0017]本發(fā)明還提供了一種制備所述醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)的專用設(shè)備，所述設(shè)備包括底板、Y向運(yùn)動(dòng)裝置、X向運(yùn)動(dòng)裝置、Z向運(yùn)動(dòng)裝置、旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)、高壓氣體源、控制單元以及多個(gè)噴頭；r向運(yùn)動(dòng)裝置安裝在底板上，X向運(yùn)動(dòng)裝置安裝在Y向運(yùn)動(dòng)裝置上，旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)安裝在X向運(yùn)動(dòng)裝置頂部，其特征在于:該設(shè)備還包括帶嚙合齒的弧形軌道，所述的多個(gè)噴頭包括保護(hù)膜噴頭、第一功能層噴頭、第二功能層噴頭以及安裝在Z向運(yùn)動(dòng)裝置上的中空管成形噴頭；弧形軌道安裝在底板上，該弧形軌道的中心軸與Y向運(yùn)動(dòng)裝置的中心軸重合；弧形軌道上安裝三個(gè)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶嚙合齒的滑塊，所述的保護(hù)膜噴頭、第一功能層噴頭和第二功能層噴頭分別通過掛架安裝在三個(gè)滑塊上。
[0018]一種制備醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)的專用設(shè)備，其特征在于:所述的中空管成形噴頭包括A組分針筒、B組分針筒和和噴嘴；在噴嘴內(nèi)設(shè)有交聯(lián)室和中心軸，A組分針筒、B組分針筒與交聯(lián)室連通。
[0019]一種制備醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)的專用設(shè)備，其特征在于:所述第二功能層噴頭和保護(hù)膜噴頭均為氣動(dòng)噴霧閥，其結(jié)構(gòu)包括內(nèi)部管道和外部套筒，氣動(dòng)噴霧閥通過氣體管路與高壓氣體源相連接。
[0020]一種制備醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)的專用設(shè)備，其特征在于:所述的第一功能層噴頭包括掛架、溶液儲(chǔ)存盒、篩選裝置和壓電噴閥；溶液儲(chǔ)存盒、篩選裝置和壓電噴閥均安裝在掛架上；篩選裝置安裝在溶液儲(chǔ)存盒下，并通過管道相連通；所述的篩選裝置包括篩選板和基板(502)，基板一側(cè)刻畫有篩選槽，在篩選槽前段兩側(cè)安裝有篩選板。
[0021]本發(fā)明提供的一種所述醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟:
[0022]1)在控制單元的控制下，X向運(yùn)動(dòng)裝置和Y向運(yùn)動(dòng)裝置帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)運(yùn)動(dòng)到中空管成形噴頭下方的設(shè)定位置，啟動(dòng)中空管成形噴頭，中空管成形噴頭中的天然高分子溶液和交聯(lián)劑混合后擠出形成一個(gè)或一組平行排列的中空管結(jié)構(gòu)；
[0023]2)旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)在X向運(yùn)動(dòng)裝置和Y向運(yùn)動(dòng)裝置的帶動(dòng)下，運(yùn)動(dòng)到弧形軌道下方設(shè)定位置，啟動(dòng)第一功能層噴頭，將含或不含細(xì)胞的生物材料噴涂到中空管表面；然后啟動(dòng)第二功能層噴頭，將第二種含或不含細(xì)胞的生物材料噴涂到中空管的表面，在步驟I)形成的中空管結(jié)構(gòu)表面形成含多層生物材料和細(xì)胞的功能層；
[0024]3)Z向運(yùn)動(dòng)裝置帶動(dòng)中空管成形噴頭運(yùn)動(dòng)，沿步驟I)成形的平行中空管垂直方向擠壓另一組平行排列的中空管，重復(fù)步驟2)形成復(fù)合成形體；
[0025]4)重復(fù)上述步驟1)、2)、3)，形成多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合成形體；
[0026]5)啟動(dòng)保護(hù)膜噴頭，將合成高分子溶液以霧狀形態(tài)噴出，在復(fù)合成形體外表面形成一層保護(hù)膜，制造出具有空間復(fù)雜形狀和復(fù)合材料的組織器官前體。
[0027]本發(fā)明所述方法中，其特征在于:步驟I)中所述的天然高分子溶液和交聯(lián)劑分別為海藻酸鈉溶液和氯化鈣水溶液，或分別為纖維蛋白原和凝血酶溶液，或分別為膠原溶液和細(xì)胞培養(yǎng)基溶液，或分別為聚乳酸乙醇酸溶液和水，或分別為聚氨酯溶液和水，或分別為二水合磷酸氫鈣和氫氧化鈣溶液，或分別為單水合磷酸二氫鈣和氧化鈣溶液，或分別為磷酸四鈣與磷酸氫鈣溶液，或分別為磷酸鈣水溶液和聚乳酸乙醇酸溶液，或分別為羥基磷灰石水和P聚乳酸乙醇酸溶液；其中，海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液的濃度為:將海藻酸鈉溶于細(xì)胞培養(yǎng)基溶液中，質(zhì)量濃度為0.1-5% (w/v)，將氯化鈣水溶液于去離子水中，質(zhì)量濃度為1-10% (w/v);纖維蛋白原和凝血酶溶液的濃度為:將纖維蛋白原粉末溶于細(xì)胞培養(yǎng)基溶液中，質(zhì)量濃度為0.01-5% (w/v)，將凝血酶溶于去離子水中，質(zhì)量濃度為50-200U/mL;膠原溶液濃度為:將膠原溶于細(xì)胞培養(yǎng)基溶液中，質(zhì)量濃度為0.01-5% (w/v) ;二水合磷酸氫鈣和氫氧化鈣溶液濃度分別為:將磷酸氫鈣和氫氧化鈣按質(zhì)量濃度1-20% (w/v)比例與IM磷酸氫二鈉溶液混合；單水合磷酸二氫鈣和氧化鈣溶液的濃度分別為:將單水合磷酸二氫鈣和氧化鈣顆粒分按質(zhì)量濃度1-20% (w/v)比例與IM磷酸緩沖液混合；磷酸四鈣與磷酸氫鈣溶液的質(zhì)量濃度分別為:將磷酸四鈣與磷酸氫鈣按1-20% (w/v)分別與磷酸緩沖液混合；聚乳酸乙醇酸溶液和聚氨酯溶液濃度分別為:將聚乳酸乙醇酸、聚氨酯溶于四乙二醇中，質(zhì)量濃度為0.1-15% (w/v);步驟2)中所述生物材料為包括細(xì)胞、生長因子、細(xì)胞凍存液、抗凝血材料、藥物、明膠、透明質(zhì)酸、膠原、絲素蛋白、層粘素、彈性蛋白、單糖、雙糖、右旋糖、粘多糖、肝素、殼聚糖、磷酸化殼聚糖、硫酸化殼聚糖和基質(zhì)膠中的一種或幾種組合，其中細(xì)胞密度為I X IO2個(gè)/mL-Ι X IO7個(gè)/mL，所述的細(xì)胞是成體細(xì)胞，如成骨細(xì)胞、肝細(xì)胞、心肌細(xì)胞、星狀細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞和脂肪干細(xì)胞中的一種或者組合，生長因子質(zhì)量濃度為10_50ng/mL，細(xì)胞凍存劑體積為二甲基亞砜水溶液、或甘油溶液、或右旋糖溶液，質(zhì)量濃度均為l-20%(w/v)，抗凝血材料、藥物、明膠、透明質(zhì)酸、膠原、絲素蛋白、層粘素、彈性蛋白、單糖、雙糖、右旋糖、粘多糖、肝素、殼聚糖、磷酸化殼聚糖、硫酸化殼聚糖和基質(zhì)膠的質(zhì)量濃度為0.1-20%(w/v);步驟3)中所述的合成高分子溶液是將合成高分子溶于在有機(jī)溶劑中，合成高分子是聚氨酯、或聚乳酸乙醇酸、或聚乙烯、或聚丙烯、或聚己內(nèi)酯、或聚碳酸酯、或聚乙二醇、或聚羥基酸酯中的一種或幾種組合，有機(jī)溶劑采用二甲基亞砜、四乙二醇或1.4 二氧六環(huán)，合成高分子溶液的質(zhì)量濃度為1-30% (w/v)。
[0028]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和突出性效果:1)本發(fā)明采用粘附交聯(lián)固化成形方法，可實(shí)現(xiàn)多種材料常溫成形，能大幅提高細(xì)胞的成活率，使多種細(xì)胞定點(diǎn)定量分布在不同的預(yù)定位置，相對(duì)于低溫沉積制造避免了復(fù)雜昂貴的制冷設(shè)備，取消了凍存劑等細(xì)胞低溫保存試劑的使用，大大簡化了成形工藝。2)本發(fā)明采用多套噴涂裝置協(xié)同工作，可以噴涂多種材料和細(xì)胞，并且多套噴涂裝置相互之間可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，消除了多套噴涂裝置之間的相互干擾，并大大減小了設(shè)備的體積。3)本發(fā)明采用特定氣動(dòng)擠壓、噴涂和壓電噴涂相結(jié)合的工藝，其中氣動(dòng)噴涂的精度高和響應(yīng)速度快。并且噴霧閥將噴涂液霧化以后噴出，液體與空氣接觸面積增大，能使溶劑迅速揮發(fā)提高了成形效率，并可使噴涂細(xì)胞與已有表面可靠結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)單層細(xì)胞的噴涂，且噴幅尺寸較大，噴涂效率高；壓電噴涂也可以點(diǎn)狀噴出用于精確噴涂，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的精確定位和編碼。兩者的結(jié)合是結(jié)構(gòu)體內(nèi)細(xì)胞的分布更均勻，使細(xì)胞的噴涂技術(shù)定量化和準(zhǔn)確化，減小隨機(jī)度。4)本發(fā)明具有多自由度運(yùn)動(dòng)，能精確加工圓及圓環(huán)截面，并且，噴頭的中心軸與旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)表面之間的相對(duì)角也可以改變，能對(duì)成形體側(cè)表面進(jìn)行噴涂，方便復(fù)雜曲面的制造。
【專利附圖】

【附圖說明】[0029]圖1是本發(fā)明提供的一種醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0030]圖2是制備醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)所用專用設(shè)備三維結(jié)構(gòu)簡圖。
[0031]圖3是中空管成形噴頭外觀示意圖。
[0032]圖4是中空管成形噴頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖5是第一功能層噴頭結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖6是篩選裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖7是噴霧閥結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖8是本發(fā)明的一種醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)專用設(shè)備的電氣控制示意圖。
[0037]圖9是本發(fā)明方法的工藝流程圖。
[0038]圖中:101-保護(hù)膜噴頭；102-第二功能層噴頭；103-第一功能層噴頭；104-弧形軌道；105-X向運(yùn)動(dòng)裝置；106_旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)；107-Y向運(yùn)動(dòng)裝置；108_底板；109_Ζ向運(yùn)動(dòng)裝置；110-中空管成形噴頭；111-高壓氣體源；112-電氣柜；113-控制單元；301_Α組分針筒；302-Β組分針筒；303_交聯(lián)室；304-中心軸；303_噴嘴；401_掛架；402_溶液儲(chǔ)存盒；403-篩選裝置；404_壓電噴閥；501_篩選板；502_基板；503_篩選槽；601_進(jìn)液口 ；602_內(nèi)部管道；603_進(jìn)氣口 ；604_外部套筒；801-中空管；802_功能層；803_保護(hù)膜。
【具體實(shí)施方式】
[0039]為了進(jìn)一步理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0040]圖1是本發(fā)明提供的一種醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)的示意圖，所述醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)包括逐層堆積的含或不含細(xì)胞的中空管801、在中空管上粘附有含或不含細(xì)胞的功能層802和合成高分子保護(hù)膜803 ;所述的中空管801分布于保護(hù)膜803內(nèi)部，中空管801的兩個(gè)端口伸出保護(hù)膜外；所述的功能層為含或不含細(xì)胞的天然高分子水溶液或水凝膠，并與中空管801構(gòu)成復(fù)合成形體；所述保護(hù)膜803位于復(fù)合成形體外部，為合成高分子材料；中空管801由天然高分子溶液與交聯(lián)劑混合交聯(lián)固化后形成，其中天然高分子溶液中可以含或不含細(xì)胞。所述逐層堆積的中空管801中的每層中空管為平行排列的四邊形、蛇型、波浪形或圓形，或按臨床需要設(shè)計(jì)個(gè)性化結(jié)構(gòu)；相鄰兩層中空管交叉排列，中空管內(nèi)徑一般為
0.01~5mm。所述含或不含細(xì)胞的功能層802的厚度在0.01~0.1mm。所述保護(hù)膜803為多孔結(jié)構(gòu)，膜厚度為0.01~20mm。
[0041]圖2是本發(fā)明一種制備醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)專用設(shè)備的三維結(jié)構(gòu)簡圖，該系統(tǒng)包括保護(hù)膜噴頭101、第二功能層噴頭102、第一功能層噴頭103、弧形軌道104、X向運(yùn)動(dòng)裝置105、旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106、Y向運(yùn)動(dòng)裝置107、底板108、Ζ向運(yùn)動(dòng)裝置109、中空管成形噴頭110、高壓氣體源111、電氣柜112和控制單元113?；⌒诬壍?04、Υ向運(yùn)動(dòng)裝置107、Ζ向運(yùn)動(dòng)裝置109、高壓氣體源111和電氣柜112均安裝在底板108上面。其中，弧形軌道104安裝在底板108的前端，Y向運(yùn)動(dòng)裝置107安裝在底板108的中軸線位置，Z向運(yùn)動(dòng)裝置109安裝在底板108后端與Y向運(yùn)動(dòng)裝置107相對(duì)的位置，并且Y向運(yùn)動(dòng)裝置107的中心線與弧形軌道104、Ζ向運(yùn)動(dòng)裝置109的中心線在同一個(gè)平面；高壓氣體源111和電氣柜112并排安裝在底板108的后端位置。
[0042]本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn) 動(dòng)，包括X向、Y向和Z向三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，還有圍繞Z向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。X向運(yùn)動(dòng)裝置105固定安裝在Y向運(yùn)動(dòng)裝置107的頂部，旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106安裝在X向運(yùn)動(dòng)裝置105的頂部。
[0043]本發(fā)明共安裝有四套噴涂裝置，四套噴涂裝置分別是中空管成形噴頭110、第一功能層噴頭103、第二功能層噴頭102和保護(hù)膜噴頭101，四套噴涂裝置之間是相互獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。中空管成形噴頭110安裝在Z向運(yùn)動(dòng)裝置109的滑塊上，第一功能層噴頭103、第二功能層噴頭102和保護(hù)膜噴頭101并排安裝在弧形軌道104上。
[0044]中空管成形噴頭110的外觀如圖3所示，中空管成形噴頭110安裝在Z向運(yùn)動(dòng)裝置109的滑塊上面，其與X向運(yùn)動(dòng)裝置105、Y向運(yùn)動(dòng)裝置107和旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)配合使用能形成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。
[0045]中空管成形噴頭110內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，中空管成形噴頭110的結(jié)構(gòu)包括A組分針筒301、B組分針筒302、交聯(lián)室303、中心軸304和噴嘴305。
[0046]A組分針筒301和B組分針筒302分別裝有不同的預(yù)交聯(lián)溶液，兩種溶液在交聯(lián)室303混合交聯(lián)形成一定力學(xué)特性的凝膠狀態(tài)，然后交聯(lián)形成的凝膠態(tài)物質(zhì)在氣壓的推動(dòng)下由噴嘴305擠出，因?yàn)閲娮斓闹行奈恢冒惭b有中心軸304，此時(shí)擠出物就會(huì)形成中空的管狀結(jié)構(gòu)。
[0047]第一功能層噴頭103的結(jié)構(gòu)如圖5所示，第一功能層噴頭103的結(jié)構(gòu)包括掛架401、溶液儲(chǔ)存盒402、篩選裝置403和壓電噴閥404。
[0048]溶液儲(chǔ)存盒402、篩選裝置403和壓電噴閥404均通過安裝在掛架401上與弧形軌道104的滑塊相固定，以此實(shí)現(xiàn)在弧形軌道上運(yùn)動(dòng)的目的。
[0049]含細(xì)胞的水溶液裝在溶液儲(chǔ)存盒402中，溶液在流經(jīng)篩選裝置403的時(shí)候會(huì)被篩選，含細(xì)胞的就經(jīng)壓電噴閥404噴涂出來。篩選裝置403安裝在溶液儲(chǔ)存盒402的下方，壓電噴閥404安裝篩選裝置403的下方，三者通過管路相連接。
[0050]篩選裝置403提高了噴涂液滴中細(xì)胞的含有率，減少了噴涂不含細(xì)胞液滴的概率，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括有篩選板501、基板502和篩選槽503?；?02的材料為塑料或玻璃，在其表面刻畫凹槽形成流通液體的篩選槽503 ;篩選板501由銅板制成，兩塊銅板為一組，篩選板501安裝在篩選槽503的開始段。因?yàn)楹屑?xì)胞的液滴有一定的電荷極性，在兩塊銅板同上正電壓的交流電就會(huì)形成一定頻率的電場，這樣含細(xì)胞的液體就會(huì)在電磁力的作用下偏轉(zhuǎn)，不含細(xì)胞的液滴則不受電磁力的影響直線流過。
[0051]壓電噴閥404可以噴涂微量的液滴，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)細(xì)胞的精確噴涂。
[0052]第二功能層噴頭102和保護(hù)膜噴頭101均為氣動(dòng)噴霧閥，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，包括內(nèi)部管道602和外部套筒604，兩者的區(qū)別為所噴涂的液體不同，第二功能層噴頭噴涂的溶液為含細(xì)胞的溶液，以形成細(xì)胞層802，保護(hù)膜噴頭101噴涂的溶液為不含細(xì)胞的高分子溶液，以形成結(jié)構(gòu)體外表面的保護(hù)膜803。
[0053]內(nèi)部管道602的頂部為進(jìn)液口 601，需要噴涂的溶液通過進(jìn)液口 601進(jìn)入噴頭；外部套筒604的側(cè)壁開有進(jìn)氣口 603，經(jīng)過過濾的高壓氣體通過進(jìn)氣口 603進(jìn)入噴頭，在噴頭的噴射處將液體打散形成霧狀。[0054]本發(fā)明中使用的高壓氣體均有高壓氣體源111產(chǎn)生，高壓氣體源111和噴頭之間通過氣路連接，氣路結(jié)構(gòu)包括空壓機(jī)、壓力表、儲(chǔ)氣罐、冷卻器、過濾器、噴頭控制器，其中空壓機(jī)、壓力表、儲(chǔ)氣罐、冷卻器、過濾器均安裝在高壓氣體源111的箱體內(nèi)部。空壓機(jī)產(chǎn)生高壓空氣，然后高壓空氣輸送到儲(chǔ)氣罐存儲(chǔ)，儲(chǔ)氣罐不僅有儲(chǔ)存壓縮氣體的功能，也可以降低壓縮氣體壓力的波動(dòng)。壓力表顯示儲(chǔ)氣罐中的氣體壓力值。儲(chǔ)氣罐送出的高壓空氣具有很高的溫度，需要經(jīng)冷卻器將其溫度降低到符合工作要求的溫度值，然后再有過濾器將高壓空氣中的水、油以及其他雜質(zhì)顆粒進(jìn)行徹底的過濾。經(jīng)過濾器過濾后符合要求的高壓氣體被分為兩路。其中一路和噴涂溶液針筒接通，高壓氣體給噴涂溶液針筒中的液體提供壓力。另一路高壓氣體接通到安裝在電氣柜112內(nèi)部的噴頭控制器上，從噴頭控制器出來的高壓氣體連通到噴頭的進(jìn)氣口，以此來控制噴頭的啟停。
[0055]X向運(yùn)動(dòng)裝置105、Y向運(yùn)動(dòng)裝置107和Z向運(yùn)動(dòng)裝置108由滾珠絲杠副、直線導(dǎo)軌、滑塊、聯(lián)軸器和步進(jìn)電機(jī)組成。其中，滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌的兩端分別固定在Y向運(yùn)動(dòng)裝置108左右兩側(cè)的滑塊上，步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器和滾珠絲杠相聯(lián)結(jié)。
[0056]安裝在弧形軌道上的三個(gè)噴頭，通過運(yùn)動(dòng)到不同的位置及配合旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)105運(yùn)動(dòng)，噴頭的中心軸與旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)105表面之間的相對(duì)角可以改變，能對(duì)成形體側(cè)表面進(jìn)行噴涂，方便復(fù)雜曲面的制造。
[0057]電氣柜112內(nèi)部安裝有各個(gè)運(yùn)動(dòng)裝置配套的控制驅(qū)動(dòng)器、以及氣動(dòng)噴頭配套的噴頭控制器。他們通過電氣線路與控制單元113相連接。
[0058]控制單元113，提供友好的用戶操作界面，解析處理待成形三維文件，輸出正確運(yùn)動(dòng)和噴涂啟停命令，補(bǔ)償機(jī)械偏差、校準(zhǔn)噴頭和測試設(shè)備的工作狀態(tài)等。在控制單元113的控制下設(shè)定的噴涂裝置開始工作可對(duì)所需噴涂的材料進(jìn)行精確定位，使各種不同材料，包括高粘度凝膠、漿料、溶液，和低粘度含細(xì)胞溶液、高分子溶液噴涂在設(shè)定的空間位置上。在實(shí)現(xiàn)兩種以上細(xì)胞和支架材料三維受控組裝。
[0059]本發(fā)明一種醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)所用專用設(shè)備的控制線路如圖8所示，使用CAN總線控制方式，本發(fā)明所使用的7個(gè)步進(jìn)電機(jī)均通過控制驅(qū)動(dòng)器與總線連接，以接受控制單元113的控制信號(hào)，如X向裝置105的步進(jìn)電機(jī)通過X向控制驅(qū)動(dòng)器與總線連接；噴頭控制器則需通過I/O控制器與總線連接，接受控制單元113的信號(hào)，進(jìn)而通過氣路的通斷來控制噴頭的啟停。
[0060]本發(fā)明所加工的產(chǎn)品流程如圖9所示，從中空管成形噴頭110中擠出溶液形成中空管801 ;裝有不同細(xì)胞溶液的第一功能層噴頭103和第二功能層噴頭102噴出相應(yīng)的細(xì)胞溶液在中空管801表面形成功能層802，然后保護(hù)膜噴頭101將聚氨酯或PLGA溶液噴涂到所成形的肝細(xì)胞層內(nèi)外圍，形成最外層的保護(hù)膜803。
[0061]下面結(jié)合圖9和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的工作過程敘述如下:
[0062]選擇實(shí)驗(yàn)的材料，按照合適的比例配置，制成成形材料備用。
[0063]天然高分子溶液和交聯(lián)劑分別為纖維蛋白原和凝血酶溶液。其中纖維蛋白原溶液是將纖維蛋白原粉末溶于DMEM溶液中，質(zhì)量濃度為0.l%(w/v)，將凝血酶溶于去離子水中，質(zhì)量濃度為100U/mL。將脂肪干細(xì)胞混合到纖維蛋白原溶液中，密度為I X IO6個(gè)/mL。其中加入內(nèi)皮細(xì)胞生長因子(50ng/mL)，將含細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞生長因子的纖維蛋白原溶液和凝血酶溶液分別裝入中空管成形噴頭110的兩個(gè)不同組分針筒中備用。
[0064]從病人身上提取功能細(xì)胞，如肝細(xì)胞和星狀細(xì)胞。將上述細(xì)胞和天然高分子纖維蛋白原溶液混合。肝細(xì)胞密度為I X IO7個(gè)/mL，星狀細(xì)胞密度為I X IO3個(gè)/mL。將含細(xì)胞的高分子溶液分別裝入相應(yīng)針筒中備用。
[0065]將聚氨酯溶于四乙二醇制成濃度為5% (w/v)的溶液，裝入保護(hù)膜噴頭101的噴涂溶液針筒中備用。
[0066]旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106在X向運(yùn)動(dòng)裝置105和Y向運(yùn)動(dòng)裝置107的帶動(dòng)下，運(yùn)動(dòng)到中空管成形噴頭下方的設(shè)定位置，中空管成形噴頭110擠出含細(xì)胞和生長因子中空管801 ;然后，X向運(yùn)動(dòng)裝置105和Y向運(yùn)動(dòng)裝置107的帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106運(yùn)動(dòng)到弧形軌道104下方設(shè)定位置，裝有不同細(xì)胞溶液的第一功能層噴頭103和第二功能層噴頭102，噴出相應(yīng)的細(xì)胞溶液粘附在中空管表面形成功能層802，用安裝有噴霧閥的保護(hù)膜噴頭101將聚氨酯溶液噴涂到所成形的肝細(xì)胞和星狀功能層802外圍，形成最外層的保護(hù)膜803達(dá)到機(jī)械性能與肝臟動(dòng)脈、靜脈血管的機(jī)械性能相匹配。
[0067]利用三維建模軟件建立肝臟葉片三維模型，用分層處理軟件將模型分層，得到用于成型的NC代碼，將層片文件和加工參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)控制軟件。
[0068]設(shè)定X向運(yùn)動(dòng)裝置105、Y向運(yùn)動(dòng)裝置107、Z向運(yùn)動(dòng)裝置109、旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106的初始坐標(biāo)。
[0069]由控制單元113根據(jù)輸入的加工參數(shù)控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106在X向運(yùn)動(dòng)裝置105和Y向運(yùn)動(dòng)裝置107的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到中空管成形噴頭110下方的設(shè)定位置，然后中空管成形噴頭110開始工作，從噴頭中擠出的中空管801在常溫環(huán)境下固化成形，層層堆積。隨著每一層的堆積完成，中空管成形噴頭110在Z向運(yùn)動(dòng)裝置109的帶動(dòng)下升高。
[0070]若需要加工圓環(huán)類結(jié)構(gòu)時(shí),在控制單元113的控制下,運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)選裝成形臺(tái)106到達(dá)指定位置，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106，旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106圍繞其中心軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，等旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)105旋轉(zhuǎn)一周后，Z向運(yùn)動(dòng)裝置107帶動(dòng)中空管成形噴頭110再上升設(shè)定高度即可連續(xù)成形。
[0071]根據(jù)設(shè)定程序，中間的管狀結(jié)構(gòu)成形后，旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106在Y向運(yùn)動(dòng)裝置107的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到弧形軌道104下方的設(shè)定位置，第一功能層噴頭103啟動(dòng)在弧形軌道104上運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置，向管狀結(jié)構(gòu)801表面噴涂含細(xì)胞溶液；然后，第二功能層噴頭102啟動(dòng)，在管狀結(jié)構(gòu)的特定位置噴涂另一種類的細(xì)胞溶液，繼續(xù)受控成形。
[0072]最后，旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106保持旋轉(zhuǎn)，啟動(dòng)用安裝有噴霧閥的保護(hù)膜噴頭101將聚氨酯或PLGA溶液噴涂到所成形的功能層802外圍，形成最外層的保護(hù)膜803。
[0073]不同材料在旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106上表面成形以后，依照程序?qū)⑿D(zhuǎn)成形臺(tái)106移出成形加工區(qū)域，成形過程結(jié)束，然后可將成形結(jié)構(gòu)取出。
[0074]實(shí)施例2:天然高分子溶液和交聯(lián)劑為海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液。其中海藻酸鈉溶液濃度為5%(w/v)，氯化鈣溶液濃度為l%(w/v)。將內(nèi)皮細(xì)胞混合到海藻酸鈉溶液中，密度為I X IO5個(gè)/mL。將含內(nèi)皮細(xì)胞的海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液分別裝入中空管成形噴頭110的兩個(gè)不同組分針筒中備用。
[0075]從病人身上提取心肌細(xì)胞和雪旺氏細(xì)胞。將上述細(xì)胞和海藻酸鈉溶液混合。心肌細(xì)胞密度為I X IO6個(gè)/mL，雪旺氏細(xì)胞密度為I X IO4個(gè)/mL。將含細(xì)胞的高分子溶液分別裝入相應(yīng)針筒中備用。
[0076]將PLGA溶于四乙二醇溶液制成濃度為20% (w/v)的溶液，裝入保護(hù)膜噴頭101的噴涂溶液針筒中備用。
[0077]旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106在X向運(yùn)動(dòng)裝置105和Y向運(yùn)動(dòng)裝置107的帶動(dòng)下，運(yùn)動(dòng)到中空管成形噴頭下方的設(shè)定位置，中空管成形噴頭110擠出含細(xì)胞和生長因子中空的管狀結(jié)構(gòu)801 ;然后，X向運(yùn)動(dòng)裝置105和Y向運(yùn)動(dòng)裝置107的帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106運(yùn)動(dòng)到弧形軌道104下方設(shè)定位置，裝有不同細(xì)胞溶液的第一功能層噴頭103和第二功能層噴頭102，噴出相應(yīng)的細(xì)胞溶液粘附在中空管801表面形成功能層802，用安裝有噴霧閥的保護(hù)膜噴頭101將聚氨酯溶液噴涂到所成形的功能層802外圍，形成最外層的保護(hù)膜803達(dá)到機(jī)械性能與心臟動(dòng)脈、靜脈血管的機(jī)械性能相匹配。
[0078]設(shè)定X向運(yùn)動(dòng)裝置105、Y向運(yùn)動(dòng)裝置107、Z向運(yùn)動(dòng)裝置109、旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106的初始坐標(biāo)。
[0079]由控制單元113根據(jù)輸入的加工參數(shù)控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106在X向運(yùn)動(dòng)裝置105和Y向運(yùn)動(dòng)裝置107的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到中空管成形噴頭110下方的設(shè)定位置，然后中空管成形噴頭110開始工作，從噴頭中擠出的中空管801在常溫環(huán)境下固化成形，層層堆積。隨著每一層的堆積完成，中空管成形噴頭110在Z向運(yùn)動(dòng)裝置109的帶動(dòng)下升高一個(gè)設(shè)定高度。
[0080]若需要加工圓環(huán)類結(jié)構(gòu)時(shí),在控制單元113的控制下,運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)選裝成形臺(tái)106到達(dá)指定位置，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106，旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106圍繞其中心軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，等旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)105旋轉(zhuǎn)一周后，Z向運(yùn)動(dòng)裝置107帶動(dòng)中空管成形噴頭110再上升設(shè)定高度即可連續(xù)成形。
[0081]根據(jù)設(shè)定程序，中間的中空管801成形后，旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106在Y向運(yùn)動(dòng)裝置107的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到弧形軌道104下方的設(shè)定位置，第一功能層噴頭103啟動(dòng)在弧形軌道104上運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置，向管狀結(jié)構(gòu)801表面噴涂含細(xì)胞溶液；然后，第二功能層噴頭102啟動(dòng)，在中空管801的特定位置噴涂另一種類的細(xì)胞溶液，繼續(xù)受控成形。
[0082]最后，旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106保持旋轉(zhuǎn)，啟動(dòng)保護(hù)膜噴頭101將PLGA溶液噴涂到所成形含細(xì)胞的功能層802外圍，形成最外層的保護(hù)膜803。
[0083]不同材料在旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106上表面成形以后，依照程序?qū)⑿D(zhuǎn)成形臺(tái)106移出成形加工區(qū)域，成形過程結(jié)束，然后可將成形結(jié)構(gòu)取出。
[0084]弧形軌道104上安裝的噴頭數(shù)目和種類可以調(diào)換的，包含氣動(dòng)噴頭、電機(jī)助推式或是壓電噴頭，他們均能將溶液以絲狀擠壓或是噴出。此外，也可以將多套噴涂裝置集成固定安裝Z向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)109上，在控制單元113的控制下同時(shí)運(yùn)動(dòng)，但每一時(shí)刻只有一套噴涂裝置擠壓、噴出材料。
[0085]實(shí)施例3:天然高分子溶液和交聯(lián)劑為二水合磷酸氫鈣(DCPD)和氫氧化鈣(IM磷酸氫二鈉)溶液。其中DCPD和氫氧化鈣在IM磷酸氫二鈉溶液中的重量百分比分別為20%,和10%(w/v)。將DCPD和氫氧化鈣溶液分別裝入中空管成形噴頭110的兩個(gè)不同組分針筒中備用。[0086]從病人身上提取成骨細(xì)胞和脂肪干細(xì)胞。將上述細(xì)胞和5% (w/v)明膠(PBS)溶液混合。成骨細(xì)胞密度為I X IO5個(gè)/mL，脂肪干細(xì)胞密度為I X IO2個(gè)/mL。加入內(nèi)皮細(xì)胞生長因子(10ng/mL)將含細(xì)胞的高分子溶液分別裝入相應(yīng)針筒中備用。
[0087]將PU溶于四乙二醇溶液制成濃度為10% (w/v)的溶液，裝入保護(hù)膜噴頭101的噴涂溶液針筒中備用。
[0088]旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106在X向運(yùn)動(dòng)裝置105和Y向運(yùn)動(dòng)裝置107的帶動(dòng)下，運(yùn)動(dòng)到中空管成形噴頭110下方的設(shè)定位置，中空管成形噴頭110擠出含細(xì)胞和生長因子中空管801 ；然后，X向運(yùn)動(dòng)裝置105和Y向運(yùn)動(dòng)裝置107的帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106運(yùn)動(dòng)到弧形軌道104下方設(shè)定位置，裝有不同細(xì)胞溶液的第一功能層噴頭103和第二功能層噴頭102，噴出相應(yīng)的細(xì)胞溶液粘附在中空管表面形成含細(xì)胞層的功能層802，用保護(hù)膜噴頭101將聚氨酯溶液噴涂到所成形的功能層外圍，形成最外層的保護(hù)膜803可與動(dòng)脈或靜脈血管相連接。
[0089]設(shè)定X向運(yùn)動(dòng)裝置105、Y向運(yùn)動(dòng)裝置107、Z向運(yùn)動(dòng)裝置109、旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106的初始坐標(biāo)。
[0090]由控制單元113根據(jù)輸入的加工參數(shù)控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106在X向運(yùn)動(dòng)裝置105和Y向運(yùn)動(dòng)裝置107的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到中空管成形噴頭110下方的設(shè)定位置，然后中空管成形噴頭110開始工作，從噴頭中擠出的中空管801在常溫環(huán)境下固化成形，層層堆積。隨著每一層的堆積完成，中空管成形噴頭110在Z向運(yùn)動(dòng)裝置109的帶動(dòng)下升高一個(gè)特定高度。
[0091]在加工圓環(huán)類結(jié)構(gòu)時(shí)，在控制單元113的控制下，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)選裝成形臺(tái)106到達(dá)指定位置，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106,旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106圍繞其中心軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),等旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)105旋轉(zhuǎn)一周后，Z向運(yùn)動(dòng)裝置107帶動(dòng)中空管成形噴頭110再上升設(shè)定高度即可連續(xù)成形。
[0092]根據(jù)設(shè)定程序，中間的中空管801成形后，旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106在Y向運(yùn)動(dòng)裝置107的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到弧形軌道104下方的設(shè)定位置，第一功能層噴頭103啟動(dòng)在弧形軌道104上運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置，向中空管801表面噴涂含細(xì)胞溶液；然后，第二功能層噴頭102啟動(dòng)，在中空管801特定位置噴涂另一種類的細(xì)胞溶液，繼續(xù)受控成形。[0093]最后，旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106保持旋轉(zhuǎn)，啟動(dòng)用安裝有噴霧閥的保護(hù)膜噴頭101將PU溶液噴涂到所成形的功能層802外圍，形成最外層的保護(hù)膜803。
[0094]不同材料在旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106上表面成形以后，依照程序?qū)⑿D(zhuǎn)成形臺(tái)106移出成形加工區(qū)域，成形過程結(jié)束，然后可將成形結(jié)構(gòu)取出。
[0095]實(shí)施例4:天然高分子溶液和交聯(lián)劑分別為聚乳酸乙醇酸(PLGA)溶液和水。其中PLGA在1.4 二氧六環(huán)中的重量百分比分別為20% (w/v)。將PLGA溶液和水分別裝入中空管成形噴頭110的兩個(gè)不同組分針筒中備用。
[0096]配制5% (w/v)明膠(PBS)、1% (w/v)纖維蛋白原溶液混合,分別加入0.01% (w/v)肝素和成骨細(xì)胞生長因子后裝入相應(yīng)針筒中備用。
[0097]將PU溶于四乙二醇溶液制成濃度為20% (w/v)的溶液，裝入保護(hù)膜噴頭101的噴涂溶液針筒中備用。
[0098]旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106在X向運(yùn)動(dòng)裝置105和Y向運(yùn)動(dòng)裝置107的帶動(dòng)下，運(yùn)動(dòng)到中空管成形噴頭下方的設(shè)定位置，中空管成形噴頭110擠出PLGA中空管狀結(jié)構(gòu)801 ;然后，X向運(yùn)動(dòng)裝置105和Y向運(yùn)動(dòng)裝置107的帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106運(yùn)動(dòng)到弧形軌道104下方設(shè)定位置，裝有不同高分子溶液的第一功能層噴頭103和第二功能層噴頭102，噴出相應(yīng)的高分子溶液粘附在中空管801表面形成多層生物材料結(jié)構(gòu)的功能層802，用安裝有噴霧閥的保護(hù)膜噴頭101將聚氨酯溶液噴涂到所成形的功能層802外圍，形成最外層的保護(hù)膜803。
[0099]利用三維建模軟 件建立肝臟葉片三維模型，用分層處理軟件將模型分層，得到用于成型的NC代碼，將層片文件和加工參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)控制軟件。
[0100]設(shè)定X向運(yùn)動(dòng)裝置105、Y向運(yùn)動(dòng)裝置107、Z向運(yùn)動(dòng)裝置109、旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106的初始坐標(biāo)。
[0101]由控制單元113根據(jù)輸入的加工參數(shù)控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106在X向運(yùn)動(dòng)裝置105和Y向運(yùn)動(dòng)裝置107的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到中空管成形噴頭110下方的設(shè)定位置，然后中空管成形噴頭110開始工作，從噴頭中擠出的中空管801在常溫環(huán)境下固化成形，層層堆積。隨著每一層的堆積完成，中空管成形噴頭110在Z向運(yùn)動(dòng)裝置109的帶動(dòng)下升高一個(gè)設(shè)定高度。
[0102]根據(jù)設(shè)定程序，中間的中空管801成形后，旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106在Y向運(yùn)動(dòng)裝置107的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到弧形軌道104下方的設(shè)定位置，第一功能層噴頭103啟動(dòng)在弧形軌道104上運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置，向中空管801表面噴涂含細(xì)胞溶液；然后，第二功能層噴頭102啟動(dòng)，在中空管801的特定位置噴涂另一種類的細(xì)胞溶液，形成功能層802。
[0103]最后，旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106保持旋轉(zhuǎn)，啟動(dòng)用安裝有噴霧閥的保護(hù)膜噴頭101將PU溶液噴涂到所成形的含細(xì)胞的功能層802外圍，形成最外層的保護(hù)膜803。
[0104]不同材料在旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)106上表面成形以后，依照程序?qū)⑿D(zhuǎn)成形臺(tái)106移出成形加工區(qū)域，成形過程結(jié)束，然后可將成形結(jié)構(gòu)取出。
[0105]在實(shí)際應(yīng)用中，弧形軌道104上安裝的噴頭數(shù)目和種類可以調(diào)換的，包含氣動(dòng)噴頭、電機(jī)助推式或是壓電噴頭，他們均能將溶液以絲狀擠壓或是噴出。此外，也可以將多套噴涂裝置集成固定安裝Z向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)109上，在控制單元113的控制下同時(shí)運(yùn)動(dòng)，但每一時(shí)刻只有一套噴涂裝置擠壓、噴出材料。
[0106]本發(fā)明所述的一種基于粘附交聯(lián)固化的醫(yī)用生物材料組裝設(shè)備及方法，其優(yōu)點(diǎn)在于:可以實(shí)現(xiàn)在常溫環(huán)境下使多種材料和多種細(xì)胞(包括單個(gè)細(xì)胞)在空間位置上的準(zhǔn)確定位，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的制造和噴涂，大幅提高細(xì)胞的成活率并簡化了成形工藝。
[0107] 以上舉較佳實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明所主張的權(quán)利范圍應(yīng)以本發(fā)明申請(qǐng)范圍所述為準(zhǔn)，而非僅限于上述實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)包括逐層堆積的含或不含細(xì)胞的中空管(801)、在中空管上粘附有含或不含細(xì)胞的功能層(802)和合成高分子保護(hù)膜(803);所述的中空管(801)分布于保護(hù)膜(803)內(nèi)部，中空管(801)的兩個(gè)端口伸出保護(hù)膜外；所述的功能層為含或不含細(xì)胞的天然高分子水溶液或水凝膠，并與中空管(801)構(gòu)成復(fù)合成形體；所述保護(hù)膜(803)位于復(fù)合成形體外部，為合成高分子材料；中空管(801)由天然高分子溶液與交聯(lián)劑混合交聯(lián)固化后形成，其中天然高分子溶液中含或不含細(xì)胞。
2.如權(quán)利要求1所述的一種醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述逐層堆積的中空管(801)中的每層中空管為平行排列的四邊形、蛇型、波浪形或圓形，或按臨床需要設(shè)計(jì)個(gè)性化結(jié)構(gòu)；相鄰兩層中空管交叉排列，中空管內(nèi)徑為0.01~5_。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述含或不含細(xì)胞的功能層(802)的厚度在0.01~0.1mm。
4.如權(quán)利要求1或2所述的一種醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述保護(hù)膜(803) 為多孔結(jié)構(gòu)，膜厚度為0.01~20mm。
5.一種制備如權(quán)利要求1所述醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)的專用設(shè)備，所述設(shè)備包括底板(108),Y向運(yùn)動(dòng)裝置(107)、X向運(yùn)動(dòng)裝置(105)、Z向運(yùn)動(dòng)裝置(109)、旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)(106)、高壓氣體源(111)、控制單元(113)以及多個(gè)噴頭；Y向運(yùn)動(dòng)裝置(107)安裝在底板(108)上，X向運(yùn)動(dòng)裝置(105)安裝在Y向運(yùn)動(dòng)裝置(107)上，旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)(106)安裝在X向運(yùn)動(dòng)裝置(105)頂部，其特征在于:該設(shè) 備還包括帶嚙合齒的弧形軌道(104)，所述的多個(gè)噴頭包括保護(hù)膜噴頭(101 )、第一功能層噴頭(103)、第二功能層噴頭(102)以及安裝在Z向運(yùn)動(dòng)裝置(109)上的中空管成形噴頭(110);弧形軌道(104)安裝在底板(108)上，該弧形軌道(104)的中心軸與Y向運(yùn)動(dòng)裝置(107)的中心軸重合；弧形軌道(104)上安裝三個(gè)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶嚙合齒的滑塊，所述的保護(hù)膜噴頭(101)、第一功能層噴頭(103)和第二功能層噴頭(102)分別通過掛架安裝在三個(gè)滑塊上。
6.如權(quán)利要求5所述的一種制備醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)的專用設(shè)備，其特征在于:所述的中空管成形噴頭(110)包括A組分針筒(301)、B組分針筒(302)和和噴嘴(305);在噴嘴(305)內(nèi)設(shè)有交聯(lián)室(304)和中心軸(303)，A組分針筒(301)和B組分針筒(302)分別與交聯(lián)室(304)連通。
7.如權(quán)利要求5所述的一種制備醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)的專用設(shè)備，其特征在于:所述第二功能層噴頭(102)和保護(hù)膜噴頭(101)均為氣動(dòng)噴霧閥，其結(jié)構(gòu)包括內(nèi)部管道(602)和外部套筒(604)，氣動(dòng)噴霧閥通過氣體管路與高壓氣體源(111)相連接。
8.如權(quán)利要求5所述的一種制備醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)的專用設(shè)備，其特征在于:所述的第一功能層噴頭(103)包括掛架(401)、溶液儲(chǔ)存盒(402)、篩選裝置(403)和壓電噴閥(404);溶液儲(chǔ)存盒(402 )、篩選裝置(403 )和壓電噴閥(404)均安裝在掛架(401)上；篩選裝置(403)安裝在溶液儲(chǔ)存盒(402)下，并通過管道相連通；所述的篩選裝置(403)包括篩選板(501)和基板(502 )，基板(502 ) 一側(cè)設(shè)置有篩選槽(503 )，在篩選槽(503 )前段兩側(cè)安裝有篩選板(501)。
9.一種制備如權(quán)利要求1所述醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟:1)在控制單元(113)的控制下，X向運(yùn)動(dòng)裝置(105)和Y向運(yùn)動(dòng)裝置(107)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)(106)運(yùn)動(dòng)到中空管成形噴頭(110)下方的設(shè)定位置，啟動(dòng)中空管成形噴頭(110)，中空管成形噴頭(110 )中的天然高分子溶液和交聯(lián)劑混合后擠出形成一個(gè)或一組平行排列的中空管結(jié)構(gòu)； 2)旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)(106)在X向運(yùn)動(dòng)裝置(105)和Y向運(yùn)動(dòng)裝置(107)的帶動(dòng)下，運(yùn)動(dòng)到弧形軌道(104)下方設(shè)定位置，啟動(dòng)第一功能層噴頭(103)，將含或不含細(xì)胞的生物材料噴涂到中空管表面；然后啟動(dòng)第二功能層噴頭(102)，將第二種含或不含細(xì)胞的生物材料噴涂到中空管的表面，在步驟I)形成的中空管(801)結(jié)構(gòu)表面形成含多層生物材料和細(xì)胞的功能層(802)； 3)Z向運(yùn)動(dòng)裝置(107)帶動(dòng)中空管成形噴頭(110)運(yùn)動(dòng)，沿步驟I)成形的平行中空管垂直方向擠壓另一組平行排列的中空管(801)，重復(fù)步驟2)形成復(fù)合成形體； 4)重復(fù)上述步驟1)、2)、3)，形成多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合成形體； 5)啟動(dòng)保護(hù)膜噴頭(101)，將合成高分子溶液以霧狀形態(tài)噴出，在復(fù)合成形體外表面形成一層保護(hù)膜(803)，制造出具有空間復(fù)雜形狀和復(fù)合材料的組織器官前體。
10.如權(quán)利要求9所述的一種醫(yī)用生物組織結(jié)構(gòu)制備方法，其特征在于:步驟I)中所述的天然高分子溶液和交聯(lián)劑分別為海藻酸鈉溶液和氯化鈣水溶液，或分別為纖維蛋白原和凝血酶溶液，或分別為膠原溶液和細(xì)胞培養(yǎng)基溶液，或分別為聚乳酸乙醇酸溶液和水，或分別為聚氨酯溶液和水，或分別為二水合磷酸氫鈣和氫氧化鈣溶液，或分別為單水合磷酸二氫鈣和氧化鈣溶液，或分別為磷酸四鈣與磷酸氫鈣溶液，或分別為磷酸鈣水溶液和聚乳酸乙醇酸溶液，或分別為羥基磷灰石水和P聚乳酸乙醇酸溶液；其中，海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液的濃度為:將海藻酸鈉溶于細(xì)胞培養(yǎng)基溶液中，質(zhì)量濃度為0.1-5% (w/v)，將氯化鈣水溶液于去離子水中，質(zhì)量濃度為1-10% (w/v);纖維蛋白原和凝血酶溶液的濃度為:將纖維蛋白原粉末溶于細(xì)胞培養(yǎng)基溶液中，質(zhì)量濃度為0.01-5% (w/v)，將凝血酶溶于去離子水中，質(zhì)量濃度為50-200U/mL ;膠原溶液濃度為:將膠原溶于細(xì)胞培養(yǎng)基溶液中，質(zhì)量濃度為0.01-5% (w/v) ;二水合磷酸氫鈣和氫氧化鈣溶液濃度分別為:將磷酸氫鈣和氫氧化鈣按質(zhì)量濃度1-20% (w/v)比例與IM磷酸氫二鈉溶液混合；單水合磷酸二氫鈣和氧化鈣溶液的濃度分別為:將單水合磷酸二氫鈣和氧化鈣顆粒分按質(zhì)量濃度1-20% (w/v)比例與IM磷酸緩沖液混合；磷酸四鈣與磷酸氫鈣溶液的質(zhì)量濃度分別為:將磷酸四鈣與磷酸氫鈣按1-20% (w/v)分別與磷酸緩沖液混合；聚乳酸乙醇酸溶液和聚氨酯溶液濃度分別為:將聚乳酸乙醇酸、聚氨酯溶于四乙二醇中，質(zhì)量濃度為0.1-15% (w/v);步驟2)中所述生物材料為包括細(xì)胞、生長因子、細(xì)胞凍存液、抗凝血材料、藥物、明膠、透明質(zhì)酸、膠原、絲素蛋白、層粘素、彈性蛋白、單糖、雙糖、右旋糖、粘多糖、肝素、殼聚糖、磷酸化殼聚糖、硫酸化殼聚糖和基質(zhì)膠中的一種或幾種組合，其中細(xì)胞密度為I X IO2個(gè)/mL-1 X IO7個(gè)/mL，所述的細(xì)胞是成體細(xì)胞，如成骨細(xì)胞、肝細(xì)胞、心肌細(xì)胞、星狀細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞和脂肪干細(xì)胞中的一種或者組合，生長因子質(zhì)量濃度為10_50ng/mL，細(xì)胞凍存劑體積為二甲基亞砜水溶液、或甘油溶液、或右旋糖溶液，質(zhì)量濃度均為1-20%(w/v)，抗凝血材料、藥物、明膠、透明質(zhì)酸、膠原、絲素蛋白、層粘素、彈性蛋白、單糖、雙糖、右旋糖、粘多糖、肝素、殼聚糖、磷酸化殼聚糖、硫酸化殼聚糖和基質(zhì)膠的質(zhì)量濃度為0.1-20%(w/v);步驟3)中所述的合成高分子溶液是將合成高分子 溶于在有機(jī)溶劑中，合成高分子是聚氨酯、或聚乳酸乙醇酸、或聚乙烯、或聚丙烯、或聚己內(nèi)酯、或聚碳酸酯、或聚乙二醇、或聚羥基酸酯中的一種或幾種組合，有機(jī)溶劑采用二甲基亞砜、四乙二醇或1.4 二氧六環(huán)，合成高分子溶液的質(zhì)量濃度為1-30% ( w/v)ο
【文檔編號(hào)】A61F2/02GK103892937SQ201410160806
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】王小紅, 劉利彪 申請(qǐng)人:清華大學(xué)