一種用于3d生物打印的血管成型裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種用于3D生物打印的血管成型裝置及方法，用于生物工程技術(shù)，旨在解決目前通過(guò)3D生物打印技術(shù)打印血管時(shí)存在的血管成型質(zhì)量差、成型長(zhǎng)度短等問(wèn)題。該方法通過(guò)3D生物打印技術(shù)，將生物墨汁打印到表層覆有溫敏性水凝膠的旋轉(zhuǎn)桿上，并通過(guò)進(jìn)一步生物培養(yǎng)即可形成所需要的生物血管。該方法可通過(guò)制備出不同直徑和長(zhǎng)度的旋轉(zhuǎn)桿來(lái)打印不同尺寸的生物血管，可快速打印出厚度均勻、具有精確打印尺寸的血管組織，且可采用的3D打印技術(shù)多樣，實(shí)用性廣泛。我們把該方法命名為：3D旋轉(zhuǎn)成型打印方法（3D?Envelop?Bioprinting?Method）。
【專利說(shuō)明】-種用于3D生物打印的血管成型裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及組織工程領(lǐng)域中的生物工程制造技術(shù)，具體涉及一種用于3D生物打 印的血管成型方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人口老齡化和人民生活水平的提高，我國(guó)因血管病變引起的心腦血管疾病發(fā) 生率逐年升高。報(bào)告顯示2012年我國(guó)心血管病現(xiàn)患人數(shù)已達(dá)2. 9億，每年約有350萬(wàn)人死 于心血管疾病，占總死亡原因的41%，居各種疾病之首。因此積極開(kāi)展血管類疾病的治療研 究，提高全民健康水平已迫在眉睫。目前常用解決血管類疾病的方法是進(jìn)行血管的置換和 移植，血管置換是治療動(dòng)脈瘤、動(dòng)脈血栓、心臟動(dòng)脈搭橋、創(chuàng)傷類血管損傷等重大血管疾病 的有效方法，該方法一般采用人工血管，因此，人工血管的成功制備是血管類疾病治療的關(guān) 鍵所在。
[0003] 臨床醫(yī)學(xué)上常使用的人工血管有滌綸人造血管，聚氨酯材料人造血管、真絲人造 血管等高分子材料人工血管。由于這一系列高分子材料人造血管都存在著生物兼容性差、 使用年限短、遠(yuǎn)期通暢率差，容易造成疾病復(fù)發(fā)等問(wèn)題。近年來(lái)，隨著組織工程的發(fā)展，人們 開(kāi)始通過(guò)3D生物打印技術(shù)探索制造新型人工血管，3D生物打印技術(shù)是以高分子生物材料、 細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)等成分作為打印墨汁而進(jìn)行活體打印的新技術(shù)。其優(yōu)勢(shì)就在于精確可控 的三維打印細(xì)胞及生物材料的使用，并且可根據(jù)病人病變血管的形狀及大小個(gè)性化的定制 打印人工血管。
[0004] 目前3D生物打印技術(shù)在打印血管時(shí)所采用的方式是在培養(yǎng)器皿中層層堆積生物 墨汁細(xì)胞，然后通過(guò)后續(xù)的生物培養(yǎng)得到所需要的人工血管。其血管成型的具體方法有兩 種：第一種是垂直堆積，如圖1所示，這種方法打印出的血管由于受到自身重力和機(jī)械性能 的影響，所打印得到的血管短，成型質(zhì)量差；第二種是平行堆積成型，如圖2所示，這種方法 同樣受到血管桿的機(jī)械性能影響，獲得的人工血管細(xì)胞分布雜亂，不容易精確控制。同時(shí)， 這兩種血管打印成型方法都存在成型速度慢、效率低，打印出的成品結(jié)構(gòu)不理想，無(wú)法形成 完整的生物血管等問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服目前3D生物打印技術(shù)在打印血管時(shí)所存在的缺陷，本發(fā)明提供了一種 采用3D生物打印技術(shù)打印血管的成型方法，包括該方法所采用的血管成型裝置，該發(fā)明創(chuàng) 造性的引入了旋轉(zhuǎn)桿作為血管打印的支撐架，以旋轉(zhuǎn)桿表面作為血管打印的平臺(tái)，解決了 目前3D生物打印技術(shù)在打印血管時(shí)的成型不理想問(wèn)題，能夠輕松構(gòu)建出血管組織。
[0006] 本發(fā)明中設(shè)計(jì)的血管成型裝置，主要包括一端由電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)桿和生物打 印噴頭，該旋轉(zhuǎn)桿的一端裝卡在軸承里并由電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)桿的另一端懸空，電機(jī)安裝 在一個(gè)支撐架上，支撐架通過(guò)螺釘安裝在一塊底座上，生物打印噴頭在旋轉(zhuǎn)桿表面上移動(dòng)。
[0007] 本發(fā)明中的旋轉(zhuǎn)桿材料選擇為生物相容性材料,其長(zhǎng)度和大小主要根據(jù)所需 要打印的血管形狀和大小進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外電機(jī)為可精確調(diào)控速度的伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)， 電機(jī)與旋轉(zhuǎn)桿的連接方式為通過(guò)一個(gè)軸套的直接連接、通過(guò)軸與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行的間接連接 或通過(guò)磁性驅(qū)動(dòng)連接。
[0008] 本發(fā)明使用上面所述的血管成型裝置，設(shè)計(jì)出一種人工血管成型方法，該方法通 過(guò)3D生物打印技術(shù)將生物墨汁打印到旋轉(zhuǎn)桿上，然后通過(guò)后續(xù)生物培養(yǎng)得到需要的生物 血管，主要包括以下步驟： 1) 通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)出旋轉(zhuǎn)桿模型； 2) 制備出步驟1)中所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)桿； 3) 給步驟2)中設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)桿上涂抹一層溫敏性水凝膠材料； 4) 將步驟3)中的旋轉(zhuǎn)桿安裝在血管成型裝置上； 5) 旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，利用3D生物打印技術(shù)并通過(guò)生物打印噴頭將生物墨汁 噴射到旋轉(zhuǎn)桿表面上，在旋轉(zhuǎn)桿上形成一層具有一定厚度的生物血管組織； 6) 打印完畢后，通過(guò)生物培養(yǎng)形成生物血管。
[0009] 根據(jù)步驟5)所述，其中所述的3D生物打印技術(shù)可以為基于噴墨的生物打印技術(shù)、 基于噴頭擠壓的生物打印技術(shù)、基于激光的生物打印技術(shù)。
[0010] 根據(jù)步驟5)所述，其中所述的生物墨汁為用于生物打印技術(shù)的墨汁，主要包括細(xì) 胞打印墨汁和生物材料墨汁，其中細(xì)胞打印墨汁分兩種，一種是內(nèi)皮細(xì)胞打印墨汁，另一種 為平滑肌細(xì)胞打印墨汁；生物材料墨汁為聚氨酯材料墨汁。
[0011] 根據(jù)步驟5)所述，其中所述的將生物墨汁打印到旋轉(zhuǎn)桿上的具體方式是首先在溫 敏性水凝膠材料涂層表面上打印一層內(nèi)皮細(xì)胞生物墨汁，然后在內(nèi)皮細(xì)胞生物墨汁表面上 打印平滑肌細(xì)胞生物墨汁。
[0012] 根據(jù)步驟5)所述，其中所述的生物打印噴頭打印生物墨汁時(shí)其相對(duì)旋轉(zhuǎn)桿的運(yùn)動(dòng) 的軌跡可以是縱橫編織結(jié)構(gòu)或具有任意交叉角度的編織結(jié)構(gòu)，噴頭的運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)桿的運(yùn)動(dòng) 由計(jì)算機(jī)控制。
[0013] 根據(jù)步驟5)所述，其中所述的生物培養(yǎng)處理為將打印好的血管組織和旋轉(zhuǎn)桿一起 取下放入生物培養(yǎng)箱內(nèi)，加入各種細(xì)胞生長(zhǎng)因子和促分化因子，加速血管組織結(jié)構(gòu)和各種 生理功能發(fā)育成熟，得到所需要的血管。
[0014] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是總結(jié)血管等管狀組織成型的新機(jī)理和新方法，并研究成型 過(guò)程表面的形狀，成型孔徑大小及孔隙率，應(yīng)力均勻的交替狀紡織結(jié)構(gòu)的圓周分布和軸向 分布，組織成型強(qiáng)度等對(duì)細(xì)胞成活率的影響；研究成型過(guò)程的最佳速度、成型時(shí)間、桿形狀 和材料及最佳網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
[0015] 與目前的血管制造成型技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1、 能夠打印出較長(zhǎng)的血管組織，打印的血管組織不受重力影響或影響較小，且打印出 的血管組織不易變形； 2、 采用旋轉(zhuǎn)桿的輔助打印，可加快打印速度，滿足生物血管組織打印的特殊需求； 3、 通過(guò)設(shè)計(jì)不同形狀的桿，可以打印出較為復(fù)雜的生物血管。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1是垂直堆積血管打印方法，其中附圖la、附圖lb至附圖le分別代表細(xì)胞墨汁 (中間有圓圈的圓柱）和支撐墨汁在打印過(guò)程中的排布。
[0017] 圖2是平行堆積血管打印方法，其中打印流程為2a - 2b - 2c - 2d，代表細(xì)胞墨 汁（圖中圓圈）在打印過(guò)程中的排布情況。
[0018] 圖3是3D旋轉(zhuǎn)成型打印裝置立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖4是圖3中局部打印生物噴頭相對(duì)旋轉(zhuǎn)桿走位軌跡結(jié)構(gòu)放大圖。
[0020] 圖5是圖3中另外一種局部打印生物噴頭相對(duì)旋轉(zhuǎn)桿走位軌跡結(jié)構(gòu)放大圖。
[0021] 其中1是螺釘，2是電機(jī)，3是旋轉(zhuǎn)桿，4是打印到旋轉(zhuǎn)桿表面上的生物墨汁，5是生 物打印噴頭，6是底座，7是支撐架。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 為了進(jìn)一步闡述本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步 詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施僅僅用以解釋本發(fā)明，并不限于本發(fā)明。
[0023] 該3D旋轉(zhuǎn)成型打印方法采用的打印成型裝置結(jié)構(gòu)如附圖3所示，其中旋轉(zhuǎn)桿3的 一端裝卡在軸承里并由電機(jī)2帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)桿的另一端懸空，電機(jī)通過(guò)螺栓安裝在支撐 架7上，支撐架通過(guò)螺釘安裝在一塊底座上，生物打印噴頭主要在旋轉(zhuǎn)桿上并沿著旋轉(zhuǎn)桿 軸方向移動(dòng)將生物墨汁噴射到旋轉(zhuǎn)桿表面。
[0024] 此外附圖3中的旋轉(zhuǎn)桿材料選擇為生物相容性材料，其長(zhǎng)度和大小主要根據(jù)所需 要打印的血管形狀和大小進(jìn)行設(shè)計(jì)。電機(jī)為可精確調(diào)控速度的伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，電機(jī) 與旋轉(zhuǎn)桿的連接方式為通過(guò)一個(gè)軸套的直接連接、通過(guò)軸與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行的間接連接或通 過(guò)磁性驅(qū)動(dòng)連接。
[0025] 本發(fā)明中的血管制備成型裝置用于血管成型的具體步驟為： 1、 通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)桿模型，其旋轉(zhuǎn)桿模型參數(shù)來(lái)自于實(shí)際血管參 數(shù)，也可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行血管參數(shù)的建模； 2、 利用快速成型、切削加工、電加工或激光加工技術(shù)制備出步驟1中所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn) 桿，旋轉(zhuǎn)桿的材料選擇生物相容性材料，同時(shí)在該旋轉(zhuǎn)桿表面涂抹一層一定厚度的溫敏性 水凝膠材料，以保證旋轉(zhuǎn)桿材料與生物細(xì)胞的兼容性； 3、 將步驟2中的旋轉(zhuǎn)桿通過(guò)傳動(dòng)軸、減速器等中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行間接連 接或直接連接到電機(jī)上； 4、 控制電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)低溫沉淀打印技術(shù)（LDM)將生物細(xì)胞墨 汁打印到旋轉(zhuǎn)桿表面上，其具體方法為旋轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)打印噴頭沿著旋轉(zhuǎn)桿軸向移動(dòng)，并 將生物墨汁噴射到旋轉(zhuǎn)桿表面上，首先在旋轉(zhuǎn)桿表面打印一層一定厚度的內(nèi)皮細(xì)胞生物墨 汁，打印完畢后在內(nèi)皮細(xì)胞表面上繼續(xù)打印一層一定厚度的平滑肌細(xì)胞生物墨汁，如圖4 和圖5所示，分別表示生物墨汁在旋轉(zhuǎn)桿表面的縱橫交叉狀結(jié)構(gòu)和生物墨汁在旋轉(zhuǎn)桿表面 形成任意角度的編制狀結(jié)構(gòu)； 5、 打印完畢后，將打印好的血管組織和旋轉(zhuǎn)桿取下放入生物培養(yǎng)箱內(nèi)，加入各種細(xì)胞 生長(zhǎng)因子和促分化因子，加速血管組織結(jié)構(gòu)和各種生理功能發(fā)育成熟，最終得到所需要的 生物血管。
[0026] 本發(fā)明并不局限于上訴實(shí)施方式，如果對(duì)本發(fā)明的各種改動(dòng)和變型不脫離本發(fā)明 的精神和范圍，倘若這些改動(dòng)和變型屬于本發(fā)明的權(quán)利要求和等同技術(shù)范圍之內(nèi)，則本發(fā) 明也意圖包含這些改動(dòng)和變型。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于3D生物打印的血管成型裝置，包括一端由電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)桿和生物 打印噴頭，其特征在于，電機(jī)安裝在一個(gè)支撐架上，支撐架通過(guò)螺釘安裝在一塊底座上，旋 轉(zhuǎn)桿的一端裝卡在軸承里并由電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)桿的另一端懸空，生物打印噴頭可以在 旋轉(zhuǎn)桿表面上移動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的血管成型裝置，其特征在于，旋轉(zhuǎn)桿材料為生物相容性材料， 其長(zhǎng)度和大小參數(shù)根據(jù)血管形狀和大小進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的血管成型裝置，其特征在于，所述的電機(jī)為速度可精確控制 的步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的血管成型裝置，其特征在于，旋轉(zhuǎn)桿與電機(jī)的連接方式為通 過(guò)一個(gè)軸套的直接連接、通過(guò)軸與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行的間接連接或通過(guò)磁性驅(qū)動(dòng)連接。
5. -種采用權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的血管成型裝置的血管成型方法，其特征在于， 通過(guò)3D生物打印技術(shù)將生物打印墨汁打印到旋轉(zhuǎn)桿上得到生物血管組織，然后通過(guò)生物 培養(yǎng)得到需要的血管，具體包括以下步驟： 1) 通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)出旋轉(zhuǎn)桿模型； 2) 制備出步驟1)中所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)桿； 3) 給步驟2)中設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)桿上涂抹一層溫敏性水凝膠材料； 4) 將步驟3)中的旋轉(zhuǎn)桿安裝在血管成型裝置上； 5) 旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，利用3D生物打印技術(shù)并通過(guò)生物打印噴頭將生物墨汁 噴射到旋轉(zhuǎn)桿表面上，在旋轉(zhuǎn)桿上形成一層具有一定厚度的生物血管組織； 6) 打印完畢后，通過(guò)生物培養(yǎng)形成生物血管。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的血管成型方法，其特征在于：所述的3D生物打印技術(shù)主要為 基于噴墨的生物打印技術(shù)或基于噴頭擠壓的生物打印技術(shù)或基于激光的生物打印技術(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的血管成型方法，其特征在于：所述的生物墨汁為用于生物打 印技術(shù)的墨汁，主要包括細(xì)胞打印墨汁和生物材料墨汁，其中細(xì)胞打印墨汁分兩種，一種是 內(nèi)皮細(xì)胞打印墨汁，另一種為平滑肌細(xì)胞打印墨汁；生物材料墨汁為聚氨酯材料墨汁。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的血管成型方法，其特征在于：所述的將生物墨汁打印到旋轉(zhuǎn) 桿上的具體方式是首先在溫敏性水凝膠材料涂層表面上打印一層內(nèi)皮細(xì)胞生物墨汁，然后 在內(nèi)皮細(xì)胞生物墨汁表面上打印平滑肌細(xì)胞生物墨汁。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的血管成型方法，其特征在于：所述的生物打印噴頭打印生物 墨汁時(shí)其相對(duì)旋轉(zhuǎn)桿的運(yùn)動(dòng)的軌跡為縱橫編織結(jié)構(gòu)或具有任意交叉角度的編織結(jié)構(gòu)，噴頭 的運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)桿的運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)控制。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的血管成型方法，其特征在于：所述的生物培養(yǎng)處理為將打 印好的血管組織和旋轉(zhuǎn)桿一起取下放入生物培養(yǎng)箱內(nèi)，加入各種細(xì)胞生長(zhǎng)因子和促分化因 子，加速血管組織結(jié)構(gòu)和各種生理功能發(fā)育成熟，得到所需要的血管。
【文檔編號(hào)】A61F2/06GK104146794SQ201410419354
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月24日
【發(fā)明者】周惠興, 蘭海明 申請(qǐng)人:周惠興