本發(fā)明涉及組織工程領(lǐng)域中的生物工程制造技術(shù)，更具體地，涉及一種用于3D生物打印的旋轉(zhuǎn)桿、可供給營(yíng)養(yǎng)的3D生物打印平臺(tái)及利用該平臺(tái)打印管狀組織的方法。

背景技術(shù)：

血管在我們機(jī)體中迂回曲折，其承擔(dān)著運(yùn)輸必要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)排出有毒廢物的機(jī)能，為我們機(jī)體器官的正常工作保駕護(hù)航，長(zhǎng)期以來(lái)開(kāi)發(fā)新型人工血管一直是個(gè)難題，隨著老齡化進(jìn)程的推進(jìn)，腹主動(dòng)脈瘤、血管栓塞等情況日益加重，社會(huì)對(duì)人工血管的需求日益增大，各類(lèi)人工血管也相繼出現(xiàn)，隨著現(xiàn)代生物工程學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展，許多新的人工材料和新工藝已在血管外科領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。目前，常用的人工血管的制造材料多為尼龍(NyIon)、奧綸(Orlon)、聚乙烯乙醇(Ivalon)、滌綸(Dacron)、泰氟綸(Teflon)、膨體聚四氟乙烯(ePTFE)、真絲等高分子或合成材料，但這類(lèi)材料都存在生物相容性差、使用年限短、血管直徑很難突破6mm且容易發(fā)生血管栓塞等情況。

哈佛大學(xué)Wyss研究所3D打印含血管組織研究小組，將一種含有細(xì)胞外基質(zhì)和活細(xì)胞的特殊材料以絲狀按預(yù)定的位置和形狀大小打印在3D打印組織中，然后通過(guò)冷卻使這種特殊材料融化，這樣在打印的組織中，特殊材料所在的位置就會(huì)形成管腔結(jié)構(gòu)，然后再在管腔位置注入內(nèi)皮細(xì)胞，之后細(xì)胞在管腔位置重新長(zhǎng)成血管結(jié)構(gòu)。

日本的Cyfuse公司利用劍山技術(shù)打印細(xì)胞球形成管狀組織，是按預(yù)定形狀將細(xì)胞球插在劍山上形成管狀組織結(jié)構(gòu)，這種方式解決了打印過(guò)程中因重力作用而導(dǎo)致所打印的組織坍塌的問(wèn)題，但存在打印 長(zhǎng)度的局限。其打印組織中細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)供給是通過(guò)把劍山浸在營(yíng)養(yǎng)液中完成。

現(xiàn)有的3D打印技術(shù)，在打印管狀組織時(shí)，有的無(wú)法直接用細(xì)胞墨汁按需求直接打印生成預(yù)定的管腔組織結(jié)構(gòu)，有的受到打印長(zhǎng)度限制。另外，還需要考慮打印過(guò)程中的細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)供給問(wèn)題，以使細(xì)胞在打印后能保持比較好的活性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服目前3D生物打印技術(shù)在打印管狀組織時(shí)所存在的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種用于3D生物打印的旋轉(zhuǎn)桿，旋轉(zhuǎn)桿水平布置且被驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)桿為中空結(jié)構(gòu)且其表面設(shè)有至少一個(gè)孔，在3D生物打印過(guò)程中，營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)中空結(jié)構(gòu)并且一部分營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)所述至少一個(gè)孔滲出。

在一種實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)桿被轉(zhuǎn)速可控電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)桿的至少一端可拆卸。

在一種實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)桿的表面涂有至少一層可滲透液體的生物相容性物質(zhì)。

在一種實(shí)施方式中，所述生物相容性物質(zhì)包括生物相容性水凝膠或多孔高分子薄膜。

在一種實(shí)施方式中，所述生物相容性水凝膠能夠通過(guò)包括溫控、PH調(diào)節(jié)、酶解、化學(xué)反應(yīng)的生物、物理或化學(xué)方法去除或分離。

在一種實(shí)施方式中，所述生物相容性物質(zhì)為以下材料中的一種或幾種的組合通過(guò)化學(xué)改性、共聚、物理共混、表面修飾方法形成的物質(zhì)：明膠材料及其復(fù)合物、飽和脂肪酸、由聚N，N-二乙基丙烯酰胺、羥丙基甲基纖維素、聚乳酸、聚己內(nèi)酯、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚N-異丙基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸N，N-二甲氨基乙酯和、聚氧化乙烯及其衍生物。

在一種實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)桿的材料具備力學(xué)強(qiáng)度，其形狀、結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)短和孔徑大小是根據(jù)所需要打印的管狀組織進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置的。

本發(fā)明還提供了一種可供給營(yíng)養(yǎng)的3D生物打印平臺(tái)，包括上述旋轉(zhuǎn)桿以及營(yíng)養(yǎng)供給系統(tǒng)，在3D生物打印過(guò)程中，營(yíng)養(yǎng)供給系統(tǒng)將營(yíng)養(yǎng)液輸送至旋轉(zhuǎn)桿，營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)旋轉(zhuǎn)桿的中空結(jié)構(gòu)并且一部分營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)旋轉(zhuǎn)桿表面上的至少一個(gè)孔滲出。

在一種實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)桿具有第一端和第二端，營(yíng)養(yǎng)供給系統(tǒng)包括營(yíng)養(yǎng)液容器、營(yíng)養(yǎng)液輸送管、營(yíng)養(yǎng)液回收管和泵，營(yíng)養(yǎng)液輸送管的一端伸入營(yíng)養(yǎng)液容器內(nèi)且另一端通至旋轉(zhuǎn)桿的第一端，營(yíng)養(yǎng)液回收管的一端通至旋轉(zhuǎn)桿的第二端且另一端伸入營(yíng)養(yǎng)液容器內(nèi)，泵位于營(yíng)養(yǎng)液輸送管的管路中，在3D生物打印過(guò)程中，營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)泵抽吸到營(yíng)養(yǎng)液輸送管中并進(jìn)入旋轉(zhuǎn)桿的中空結(jié)構(gòu)，進(jìn)入中空結(jié)構(gòu)的一部分營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)旋轉(zhuǎn)桿表面上的至少一個(gè)孔滲出，另一部分營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)中空結(jié)構(gòu)且經(jīng)營(yíng)養(yǎng)液回收管循環(huán)回收到營(yíng)養(yǎng)液容器內(nèi)。

在一種實(shí)施方式中，營(yíng)養(yǎng)液的流速能夠控制。

在一種實(shí)施方式中，在營(yíng)養(yǎng)液回收管的管路中設(shè)有過(guò)濾裝置。

在一種實(shí)施方式中，3D生物打印平臺(tái)的溫度可控。

本發(fā)明又提供了一種利用上述3D生物打印平臺(tái)打印管狀組織的方法，包括以下步驟：驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)；以及在3D生物打印過(guò)程中，通過(guò)營(yíng)養(yǎng)供給系統(tǒng)將營(yíng)養(yǎng)液輸送至旋轉(zhuǎn)桿，營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)旋轉(zhuǎn)桿的中空結(jié)構(gòu)并且一部分營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)旋轉(zhuǎn)桿表面上的至少一個(gè)孔滲出。

在一種實(shí)施方式中，該方法還包括根據(jù)人體參數(shù)建?；蛑苯尤S建模，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)桿再制作旋轉(zhuǎn)桿的步驟。

在一種實(shí)施方式中，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)桿包括利用3D建模軟件和/或仿真技術(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)桿的力學(xué)強(qiáng)度、旋轉(zhuǎn)桿的直徑、長(zhǎng)度、管壁厚度、撓度及表面粗糙度、旋轉(zhuǎn)桿表面孔的形狀、孔隙率、孔隙分布、孔徑大小參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

在一種實(shí)施方式中，該方法還包括將至少一層可滲透液體的生物相容性物質(zhì)涂覆在制作的旋轉(zhuǎn)桿的表面上的步驟。

在一種實(shí)施方式中，該方法還包括打印生物墨汁，營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)旋轉(zhuǎn)桿表面上的至少一個(gè)孔從生物相容性物質(zhì)中滲透出來(lái)的步驟。

在一種實(shí)施方式中，通過(guò)泵調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液的流速。

在一種實(shí)施方式中，從外部朝向旋轉(zhuǎn)桿表面噴灑營(yíng)養(yǎng)液。

在一種實(shí)施方式中，該方法還包括在管狀組織打印成型后，去除或分離旋轉(zhuǎn)桿表面的生物相容性物質(zhì)，將管狀組織從旋轉(zhuǎn)桿上取下并進(jìn)行培養(yǎng)的步驟。

在一種實(shí)施方式中，該方法還包括在管狀組織打印成型后，將整個(gè)旋轉(zhuǎn)桿取下并進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)結(jié)束后再把管狀組織從旋轉(zhuǎn)桿上取下的步驟。

與目前3D生物打印管狀組織的方法相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)桿中空多孔，解決了打印過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)供給的問(wèn)題，使得細(xì)胞可以保持盡可能大的生物活性，同時(shí)也方便打印完成后給打印的管狀組織例如剪切力的生物刺激，促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育；

2)個(gè)性化制備打印管狀組織的平臺(tái)一旋轉(zhuǎn)桿并且水平布置旋轉(zhuǎn)桿，減少重力的影響；

3)旋轉(zhuǎn)桿方便拆卸，在管狀組織打印成型后，通過(guò)去除或分離旋轉(zhuǎn)桿表面的生物相容性物質(zhì)，即可把管狀組織從旋轉(zhuǎn)桿上取下并進(jìn)行培養(yǎng)(例如放入培養(yǎng)箱培養(yǎng))，或者將整個(gè)旋轉(zhuǎn)桿取下并進(jìn)行培養(yǎng)(例如放入培養(yǎng)箱培養(yǎng))，培養(yǎng)結(jié)束后再把管狀組織從旋轉(zhuǎn)桿上取下。

附圖說(shuō)明

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于3D生物打印的旋轉(zhuǎn)桿。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的可供給營(yíng)養(yǎng)的3D生物打印平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

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)施方式僅僅用以解釋本發(fā)明，并不限制本發(fā)明的范圍。

需要說(shuō)明的是，本發(fā)明提及的“3D生物打印”在本領(lǐng)域中也可 稱(chēng)為“增材制造”或“三維打印”。

參照?qǐng)D1，示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于3D生物打印的旋轉(zhuǎn)桿2。旋轉(zhuǎn)桿2水平布置并且被驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)桿2為中空結(jié)構(gòu)且其表面設(shè)有至少一個(gè)孔4，在3D生物打印過(guò)程中，營(yíng)養(yǎng)液(主要用于在管狀組織打印過(guò)程中為細(xì)胞供給營(yíng)養(yǎng)，以提高細(xì)胞的生物活性)通過(guò)中空結(jié)構(gòu)并且一部分營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)所述至少一個(gè)孔4滲出。旋轉(zhuǎn)桿2可以由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，也可以由其它驅(qū)動(dòng)源或通過(guò)其它驅(qū)動(dòng)方式帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在采用電機(jī)的情況下，旋轉(zhuǎn)桿2的至少一端可以通過(guò)軸套直接連接電機(jī)、通過(guò)軸與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間接連接電機(jī)、通過(guò)磁性驅(qū)動(dòng)連接電機(jī)、或通過(guò)任何其它可帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)桿2旋轉(zhuǎn)的方式連接電機(jī)。電機(jī)優(yōu)選為轉(zhuǎn)速可控電機(jī)，例如可精確調(diào)控速度的伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)然也可采用本領(lǐng)域已知的任何其它類(lèi)型的電機(jī)。在只有旋轉(zhuǎn)桿2的一端連接電機(jī)的情況下，旋轉(zhuǎn)桿2的另一端懸置或由支撐架支撐。旋轉(zhuǎn)桿2的至少一端可拆卸。旋轉(zhuǎn)桿2的材料需具備一定力學(xué)強(qiáng)度，例如可由金屬(例如不銹鋼、鋁合金、鈦合金)、高分子材料、無(wú)機(jī)材料等材料制成，其形狀、結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)短和孔徑大小是根據(jù)所需打印的管狀組織的例如結(jié)構(gòu)、大小等參數(shù)進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置的。旋轉(zhuǎn)桿2的至少一個(gè)孔4的大小、形狀、密度及分布等參數(shù)主要是根據(jù)所需打印的管狀組織的直徑以及模擬人體內(nèi)部力學(xué)仿真確定的，在3D生物打印過(guò)程中至少一個(gè)孔4用于營(yíng)養(yǎng)液從旋轉(zhuǎn)桿2內(nèi)部滲出，同時(shí)也方便打印完成后給打印血管例如剪切力的生物刺激，促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育。

旋轉(zhuǎn)桿2的表面可以涂有至少一層可滲透液體的生物相容性物質(zhì)5，營(yíng)養(yǎng)液可通過(guò)旋轉(zhuǎn)桿2表面的至少一個(gè)孔4從表面涂層滲透出來(lái)，形成一個(gè)微濕潤(rùn)的有支撐能力的營(yíng)養(yǎng)供給平臺(tái)，該表面涂層也可以用于交換營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。表面涂層是生物安全性的，具備一定力學(xué)支撐強(qiáng)度，并且與打印材料之間不互溶、易于分離。在一種實(shí)施方式中，表面涂層的生物相容性物質(zhì)是能夠通過(guò)包括溫控、PH調(diào)節(jié)、酶解、化學(xué)反應(yīng)等生物、物理或化學(xué)方法去除或分離的生物相容性水凝膠，優(yōu)選為可溫控降解的生物相容性水凝膠。在另一種實(shí)施方式中，表面涂層的 生物相容性物質(zhì)是多孔高分子薄膜，例如PLA、PCL、PLGA等多孔薄膜。生物相容性物質(zhì)可以為以下材料中的一種或幾種的組合通過(guò)化學(xué)改性、共聚、物理共混、表面修飾方法形成的物質(zhì)：明膠材料及其復(fù)合物、飽和脂肪酸、由聚N，N-二乙基丙烯酰胺、羥丙基甲基纖維素、聚乳酸、聚己內(nèi)酯、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚N-異丙基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸N，N-二甲氨基乙酯、聚氨酯、聚氧化乙烯及其衍生物等。

現(xiàn)在參照?qǐng)D2，示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的可供給營(yíng)養(yǎng)的3D生物打印平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)，該生物打印平臺(tái)總體用附圖標(biāo)記1表示，其主要由用作打印支撐桿的旋轉(zhuǎn)桿2和可供給營(yíng)養(yǎng)的營(yíng)養(yǎng)供給系統(tǒng)3組成。如圖2所示，營(yíng)養(yǎng)供給系統(tǒng)3包括營(yíng)養(yǎng)液容器6、營(yíng)養(yǎng)液輸送管7、營(yíng)養(yǎng)液回收管8和泵9，營(yíng)養(yǎng)液輸送管7的一端伸入營(yíng)養(yǎng)液容器6內(nèi)且另一端通至旋轉(zhuǎn)桿的一端，營(yíng)養(yǎng)液回收管8的一端通至旋轉(zhuǎn)桿的另一端且營(yíng)養(yǎng)液回收管8的另一端伸入營(yíng)養(yǎng)液容器6內(nèi)，泵9位于營(yíng)養(yǎng)液輸送管7的管路中，在3D生物打印過(guò)程中，營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)泵9抽吸到營(yíng)養(yǎng)液輸送管7中并進(jìn)入旋轉(zhuǎn)桿2的中空結(jié)構(gòu)，進(jìn)入中空結(jié)構(gòu)的一部分營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)旋轉(zhuǎn)桿表面上的至少一個(gè)孔4滲出，另一部分營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)中空結(jié)構(gòu)且經(jīng)營(yíng)養(yǎng)液回收管8循環(huán)回收到營(yíng)養(yǎng)液容器6內(nèi)。營(yíng)養(yǎng)液可為普通營(yíng)養(yǎng)液，也可有特別的添加成分。營(yíng)養(yǎng)液的流速是可控的，在一種實(shí)施方式中，營(yíng)養(yǎng)液的流速可以由位于營(yíng)養(yǎng)液輸送管7的管路中的泵9控制，當(dāng)然也可以采用其它流速控制手段，只要能保證營(yíng)養(yǎng)液從旋轉(zhuǎn)桿表面的孔滲出即可。在一種可選的實(shí)施方式中，在營(yíng)養(yǎng)液回收管8的管路中設(shè)有過(guò)濾裝置10，以對(duì)回收到營(yíng)養(yǎng)容器6內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行過(guò)濾處理。此外，旋轉(zhuǎn)打印平臺(tái)是針對(duì)不同組織、個(gè)性化設(shè)計(jì)的可供給營(yíng)養(yǎng)的打印平臺(tái)，營(yíng)養(yǎng)的供給方式為平臺(tái)內(nèi)滲透、或外部噴霧或兩者同時(shí)進(jìn)行的方式。在外部噴霧的一種實(shí)施方式中，從外部朝向旋轉(zhuǎn)桿表面噴灑營(yíng)養(yǎng)液，以便為打印細(xì)胞供給營(yíng)養(yǎng)。旋轉(zhuǎn)打印平臺(tái)溫度可控，例如可以采用控制營(yíng)養(yǎng)液溫度和調(diào)控大環(huán)境溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)打印平臺(tái)的溫度可控。

利用上述3D生物打印平臺(tái)打印管狀組織的方法可以包括驅(qū)動(dòng)旋 轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)；以及在3D生物打印過(guò)程中，通過(guò)營(yíng)養(yǎng)供給系統(tǒng)將營(yíng)養(yǎng)液輸送至旋轉(zhuǎn)桿，營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)旋轉(zhuǎn)桿的中空結(jié)構(gòu)并且一部分營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)旋轉(zhuǎn)桿表面上的至少一個(gè)孔滲出。

該方法還可以包括根據(jù)人體參數(shù)建?；蛑苯尤S建模，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)桿再制作旋轉(zhuǎn)桿的步驟。根據(jù)人體參數(shù)建模是指通過(guò)人體掃描(如MRI或CT)或現(xiàn)有其它技術(shù)手段得到數(shù)據(jù)參數(shù)，然后計(jì)算機(jī)輔助轉(zhuǎn)化為三維模型。直接三維建模是指通過(guò)參數(shù)直接三維建模。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)桿包括利用3D建模軟件和/或仿真技術(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)桿的力學(xué)強(qiáng)度、桿的直徑、長(zhǎng)度、管壁厚度、撓度及表面粗糙度、旋轉(zhuǎn)桿表面孔的形狀、孔隙率、孔隙分布、孔徑大小參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。制作旋轉(zhuǎn)桿可以包括用傳統(tǒng)方法制作旋轉(zhuǎn)桿和通過(guò)3D打印機(jī)打印出旋轉(zhuǎn)桿。

該方法還可以包括將至少一層可滲透液體的生物相容性物質(zhì)涂覆在制作的旋轉(zhuǎn)桿的表面上；打印生物墨汁11(參照?qǐng)D1)，營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)旋轉(zhuǎn)桿表面上的至少一個(gè)孔從生物相容性物質(zhì)中滲透出來(lái)；以及在管狀組織打印成型后，去除或分離旋轉(zhuǎn)桿表面的生物相容性物質(zhì)，將管狀組織從旋轉(zhuǎn)桿上取下并進(jìn)行培養(yǎng)(例如，放入培養(yǎng)箱培養(yǎng))，或者在管狀組織打印成型后，將整個(gè)旋轉(zhuǎn)桿取下并進(jìn)行培養(yǎng)(例如，放入培養(yǎng)箱培養(yǎng))的步驟。整個(gè)旋轉(zhuǎn)桿在進(jìn)行培養(yǎng)的過(guò)程中，可以通過(guò)孔道給予打印的組織力學(xué)相關(guān)刺激，或外部給予力學(xué)、生物、化學(xué)刺激。

本發(fā)明減小了由重力影響導(dǎo)致組織坍塌的可能性，提供了一種3D生物打印管狀組織并在打印過(guò)程中供給營(yíng)養(yǎng)的新方法，應(yīng)用前景廣闊。

本發(fā)明并不局限于上述實(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。