一種可降解組織工程三維支架的制備設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種可降解組織工程三維支架的制備設(shè)備，該設(shè)備主要包括高壓電源、計(jì)算機(jī)、設(shè)有微量供液泵的精密供液系統(tǒng)、金屬噴射頭、X-Y精密載物平臺、接收板、CMOS攝像機(jī)和顯微鏡載物臺。通過該靜電紡絲設(shè)備可以制備得到具有較高孔隙率、良好力學(xué)性能和生物相容性、降解速率可控、能夠懸浮于液面的組織工程三維支架，制備方法簡單，整個過程易于操作。
【專利說明】 一種可降解組織工程三維支架的制備設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及組織工程和微納制造【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種制備可降解組織エ程三維支架的靜電紡絲設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]人體組織損傷、缺損會導(dǎo)致功能障礙，傳統(tǒng)的修復(fù)方法是自體組織移植術(shù)，雖然可以取得滿意療效，但它是以犧牲自體健康組織為代價(jià)的辦法，會導(dǎo)致很多并發(fā)癥及附加損傷；人的器官功能衰竭，采用藥物治療、暫時(shí)性替代療法可挽救部分病人生命，但供體器官來源極為有限，因免疫排斥反應(yīng)需長期使用免疫抑制劑，由此而帶來的并發(fā)癥有時(shí)是致命的。為解決這些問題提出組織工程，通過開發(fā)具有生物活性的人工替代物，以恢復(fù)、維持或改善組織、器官的功能。
[0003]組織工程是生命科學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，其核心就是建立細(xì)胞與生物材料的三維空間復(fù)合體，即具有生命力的活體組織，用以對病損組織進(jìn)行形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能的重建并達(dá)到永久性替代。組織工程的基本原理和方法是將體外培養(yǎng)擴(kuò)增的正常組織細(xì)胞，吸附于ー種生物相容性良好并可被機(jī)體吸收的三維支架上形成復(fù)合物，將細(xì)胞-三維支架復(fù)合物植入機(jī)體組織、器官的病損部分，細(xì)胞在三維支架逐漸被機(jī)體降解吸收的過程中形成新的在形態(tài)和功能方面與相應(yīng)器官、組織相一致的組織，從而達(dá)到修復(fù)創(chuàng)傷和重建功能的目的。
[0004]三維支架是組織工程的關(guān)鍵要素，是細(xì)胞獲取營養(yǎng)、氣體交換、廢物排泄和生長代謝的場所，是新的具有形態(tài)和功能的組織、器官的基礎(chǔ)。其主要功能包括以下兩點(diǎn):1、為體外構(gòu)建工程組織或器官提供三維的細(xì)胞生長支架，使細(xì)胞間形成適宜的空間分布和細(xì)胞聯(lián)系；2、提供特殊的生長和分化信號，誘導(dǎo)細(xì)胞的定向分化和維持細(xì)胞分化。組織工程三維支架必須具有良好的生物兼容性、良好的生物降解性、較大的孔隙率和比表面積以及足夠的力學(xué)性能。經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)確立不同的三維支架材料和制備方法，得到的三維支架能夠基本滿足組織工程的要求。
[0005]有一些三維支架已經(jīng)應(yīng)用于臨床之上，但現(xiàn)有產(chǎn)品依然存在問題:1、支架的力學(xué)性能較差，容易發(fā)生變形或者斷裂；2、支架的降解周期為定值，只適用于組織工程特定的領(lǐng)域；3、所得到三維支架的孔隙率難以控制，隨機(jī)性較大。
[0006]靜電紡絲設(shè)備主要由四部分組成:液體供給裝置、噴射裝置、高壓電源、接收裝置。隨著各國對靜電紡絲技術(shù)研究的深入，目前靜電紡絲設(shè)備種類繁多，根據(jù)液體供給裝置、噴射裝置、高壓裝置和接收裝置的不同，可以將靜電紡絲裝置分為多種類型。接收裝置對三維支架的形成起著關(guān)鍵作用，根據(jù)接收裝置的不同，靜電紡絲設(shè)備可以分為平板式、碟狀式、轉(zhuǎn)鼓式、籠狀式、輔助電極式等，應(yīng)用較多的是轉(zhuǎn)鼓式和平板式。不同類型接收裝置可以獲得不同結(jié)構(gòu)三維支架，但都面臨同樣的問題:1、靜電紡絲過程受到諸多因素的影響，存在極大的不穩(wěn)定性；2、靜電紡絲過程未能實(shí)現(xiàn)自動化和可視化；3、所制備三維支架結(jié)構(gòu)單一，在組織工程應(yīng)用方面存在一定局限性。
[0007]因此，針對上述技術(shù)問題，有必要提供ー種具有改良結(jié)構(gòu)的靜電紡絲設(shè)備用以制 備組織工程三維支架，以克服上述缺陷。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0008]有鑒于此，本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于制備可降解組織工程三維支架的靜電紡絲設(shè)備，以及基于該設(shè)備制備可降解組織工程三維支架的方法，制備得到具有較高孔隙率、良好力學(xué)性能和生物相容性、降解速率可控、能夠懸浮于液面的組織工程三維支架。
[0009]近年來，控制技術(shù)、微電子技術(shù)和精密儀器技術(shù)的快速發(fā)展為解決當(dāng)前靜電紡絲設(shè)備面臨的問題提供了技術(shù)支持。本實(shí)用新型基于靜電紡絲原理設(shè)計(jì)的靜電紡絲設(shè)備，集先進(jìn)控制技術(shù)、微電子技術(shù)和精密儀器技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)了自動化、可視化操作。利用該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的靜電紡絲過程，從而解決現(xiàn)有設(shè)備存在的問題，制備直徑為微米、納米尺度的纖維，進(jìn)而得到組織工程三維支架。
[0010]具體的，為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案:
[0011]本實(shí)用新型的靜電紡絲設(shè)備主要包括高壓電源、計(jì)算機(jī)、設(shè)有微量供液泵的精密供液系統(tǒng)、金屬噴射頭、X-Y精密載物平臺、接收板、CMOS攝像機(jī)和顯微鏡載物臺，所述高壓電源的外控接ロ通過設(shè)于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)通訊接ロ相連接；所述精密供液系統(tǒng)通過通訊接ロ與計(jì)算機(jī)相連，外接有輸流管，所述輸流管末端接有金屬噴射頭，微量供液泵、輸流管以及金屬噴射頭形成單向通路；所述X-Y精密載物平臺、CMOS攝像機(jī)分別與計(jì)算機(jī)通過通訊接ロ相連接；所述接收板固定于X-Y精密載物平臺上，并與高壓電源負(fù)極相連接，所述高壓電源正極與金屬噴射頭相連接，所述顯微鏡載物臺安裝于X-Y精密載物平臺上，并設(shè)有生物顯微鏡。
[0012]優(yōu)選的，所述的高壓電源提供電壓開啟、關(guān)閉以及幅值大小可控的0?IOKV直流電壓。
[0013]優(yōu)選的，所述的微量供液泵供液精度為lnl。
[0014]優(yōu)選的，所述的X-Y精密載物平臺運(yùn)行速度為2cm/s。
[0015]優(yōu)選的，所述的接收板為ITO (Indium Tin Oxides,氧化銦錫)導(dǎo)電玻璃。
[0016]本實(shí)用新型也提供了一種基于上述的靜電紡絲設(shè)備制備可降解組織工程三維支架的方法，包括下述步驟:
[0017]1、將聚乳酸-羥基こ酸共聚物均勻溶解于有機(jī)溶劑中，制備電紡溶液，注入精密供液系統(tǒng)；
[0018]2、在接收板表面涂ー層聚氧化こ烯(PEO)水溶液，并裝夾于X-Y精密載物平臺上；
[0019]3、根據(jù)待制備三維支架纖維形狀的要求，選擇金屬噴射頭內(nèi)徑，并將金屬噴射頭裝夾于三自由度機(jī)械手上；
[0020]4、開啟各個系統(tǒng)，調(diào)整三自由度機(jī)械手來確定金屬噴射頭的位置，金屬噴射頭和接收板之間的距離設(shè)定為3?8cm ；
[0021]5、緩慢増大電壓值并在計(jì)算機(jī)控制窗ロ觀察金屬噴射頭尖端溶液的變化，直到出現(xiàn)穩(wěn)定紡絲過程；
[0022]6、設(shè)定X-Y精密載物平臺移動行走路線，靜電紡絲過程自動進(jìn)行，靜電紡絲的纖維均勻沉積于接收板上；[0023]7、靜電紡絲過程結(jié)束之后拆下接收板，接著將接收板浸入水中，三維支架從接收板表面脫落。
[0024]優(yōu)選的，步驟I中，所述的有機(jī)溶劑為氯仿、四氫呋喃、丙酮中的一種或者兩種以上的混合物。
[0025]優(yōu)選的，步驟I中，所述的電紡溶液濃度為0.2g/ml?0.4g/ml。
[0026]優(yōu)選的，步驟5中，所述的電壓值為4000V?9000V。
[0027]優(yōu)選的，重復(fù)步驟3、4、5來選擇合適的金屬噴射頭內(nèi)徑、紡絲間距和電壓值。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
[0029]1、三維支架的降解速率可控，可用于組織工程不同領(lǐng)域。
[0030]2、纖維在不同方向交錯排列，進(jìn)而層層疊加，通過近似編織方法而得到的三維支架具有較好的力學(xué)性能。
[0031]3、根據(jù)具體細(xì)胞培養(yǎng)的要求可調(diào)節(jié)電壓以及接收尺寸，進(jìn)而得到不同直徑的纖維，紡絲時(shí)間的長短決定了三維支架的厚度。
[0032]4、本實(shí)用新型的靜電紡絲設(shè)備可以提供自動化、可視化和穩(wěn)定的靜電紡絲過程，能夠制備不同類型組織工程三維支架。
[0033]5、ITO玻璃表面涂覆的聚氧化こ烯層不僅為沉積其上的纖維提供緩沖的作用，很好保護(hù)了纖維整體的形貌，而且在水中能夠很快的與纖維支架分離，進(jìn)而快速無損的得到纖維支架。
[0034]6、細(xì)胞培養(yǎng)支架能夠漂浮于細(xì)胞培養(yǎng)液中，為細(xì)胞培養(yǎng)提供了必要條件。
[0035]7、細(xì)胞培養(yǎng)支架的制備所用的方法簡單，整個過程易于操作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的有關(guān)本實(shí)用新型的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0037]圖1是本實(shí)用新型的靜電紡絲設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]用于靜電紡絲也即構(gòu)成三維支架的原材料為聚乳酸-羥基こ酸共聚物(poly (lactic-co-glycolic acid),簡稱PLGA)，PLGA具有良好的生物相容性、生物降解性。聚乳酸-羥基こ酸共聚物由兩種單體乳酸和羥基こ酸聚合而成，其降解程度隨單體比例不同而有差異，こ交酷比例越大越易降解，通過調(diào)整単體比例，進(jìn)而改變聚乳酸-羥基こ酸共聚物的降解時(shí)間。本實(shí)用新型利用聚乳酸-羥基こ酸共聚物這一特性來制備降解度可控的組織工程三維支架。
[0039]為了獲得一種可控降解組織工程三維支架，設(shè)計(jì)并組建靜電紡絲設(shè)備，該設(shè)備由控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、X-Y移動平臺接收系統(tǒng)、可控電源系統(tǒng)和精密供液系統(tǒng)組成。視覺系統(tǒng)包括生物顯微鏡、顯微鏡控制器和エ業(yè)攝像機(jī)，利用顯微鏡將物體放大，通過攝像機(jī)采集圖片信息并傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，實(shí)現(xiàn)可視化操作。X-Y移動平臺接收系統(tǒng)包括X-Y移動平臺、控制器和接收板夾持機(jī)構(gòu)，運(yùn)行速度為2cm/s?？煽仉娫聪到y(tǒng)包括高壓直流電源、AD轉(zhuǎn)換卡和控制器，該系統(tǒng)可以提供O?IOKV直流電壓，電壓開啟、關(guān)閉以及幅值大小可控。精密供液系統(tǒng)由精密注射泵和輸流管等組成，該系統(tǒng)為靜電紡絲設(shè)備的供液裝置，供液精度為lnl。控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)和所用到的軟件，利用計(jì)算機(jī)將各個系統(tǒng)組合為整體，通過軟件編程建立控制界面。利用該界面對靜電紡絲儀器進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)以下操作:
[0040]1、通過視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可視化操作，顯微鏡放大倍數(shù)可以自由切換，在低倍下尋找實(shí)物然后切到高倍進(jìn)行觀察；可以對試驗(yàn)過程進(jìn)行錄像或拍照，并可以對照片的亮度、對比度和光線進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)圖片處理功能。這些功能給實(shí)驗(yàn)提供了便利，對三維支架的制備有
著重要意義。
[0041]2、利用控制界面可以定義三自由度機(jī)械手的移動方向、位移大小和行走速度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。噴絲頭裝夾于機(jī)械手之上，通過機(jī)械手調(diào)整噴絲頭和接收板之間的距離，具有操作方便、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
[0042]3、利用控制界面可以定義X-Y移動平臺的移動方向、位移大小和行走速度。接收板裝夾于X-Y移動平臺，通過控制界面選擇各參數(shù)便可獲得預(yù)先設(shè)定的軌跡。
[0043]4、利用控制界面可以設(shè)置電源的參數(shù)，控制電壓啟閉，調(diào)節(jié)幅值大小以及噴印的時(shí)間。電壓是靜電紡絲得以實(shí)現(xiàn)的基本條件，因此在設(shè)定時(shí)間內(nèi)通過該界面控制電壓的開啟和停止便可以實(shí)現(xiàn)對靜電紡絲過程的控制。
[0044]如圖1所示，本實(shí)用新型的靜電紡絲設(shè)備包括高壓電源1、計(jì)算機(jī)2、設(shè)有微量供液泵的精密供液系統(tǒng)4、金屬噴射頭6、X-Y精密載物平臺7、接收板8、CMOS攝像機(jī)和顯微鏡載物臺，高壓電源I的外控接ロ通過設(shè)于計(jì)算機(jī)2內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)2通訊接ロ相連接；精密供液系統(tǒng)4通過通訊接ロ 3與計(jì)算機(jī)2相連，外接有輸流管5，輸流管5末端接有金屬噴射頭6，微量供液泵、輸流管5以及金屬噴射頭6形成單向通路；X-Y精密載物平臺
7、CMOS攝像機(jī)分別與計(jì)算機(jī)2通過通訊接ロ相連接；接收板8固定于X-Y精密載物平臺7上，并與高壓電源I負(fù)極相連接，高壓電源I正極與金屬噴射頭6相連接，顯微鏡載物臺安裝于X-Y精密載物平臺7上，并設(shè)有生物顯微鏡，CMOS攝像機(jī)設(shè)于X-Y精密載物平臺7上，CMOS攝像機(jī)與生物顯微鏡圖中均未示出。
[0045]基于圖1所示的靜電紡絲設(shè)備，本實(shí)用新型的降解可控組織工程三維支架的制備方法，具體包括以下步驟:
[0046]1、制備電紡溶液，待溶劑溶解均勻后將溶液注入精密供液系統(tǒng)4 ；
[0047]2、在接收板8表面上涂ー層聚氧化こ烯水溶液9，然后裝夾于X-Y精密載物平臺7之上；
[0048]3、根據(jù)三維支架纖維形狀的要求，選擇金屬噴射頭6內(nèi)徑(如60 ii m、110 ii m、160 u m),將金屬噴射頭6裝夾于三自由度機(jī)械手上；
[0049]4、開啟各個系統(tǒng)，利用調(diào)整三自由度機(jī)械手來確定金屬噴射頭6的位置，金屬噴射頭6和接收板8之間的距離設(shè)定為3?8cm ；
[0050]5、緩慢增大電壓值并在計(jì)算機(jī)2控制窗ロ觀察金屬噴射頭6尖端溶液的變化，直到出現(xiàn)穩(wěn)定紡絲過程；
[0051]6、設(shè)定X-Y精密載物平臺7的移動行走路線，靜電紡絲過程自動進(jìn)行，使得靜電紡絲的纖維能夠均勻沉積于接收板8上；
[0052]7、靜電紡絲過程結(jié)束之后拆下接收板8，接著將接收板8浸入水中，三維支架從接收板8脫落。
[0053]步驟I所述電紡溶液的溶質(zhì)即為PLGA，溶劑可以是氯仿、四氫呋喃和丙酮中的一種或者任意兩種以上的混合物，溶液的濃度為0.2g/ml?0.4g/ml。
[0054]步驟2所述接收板8為ITO導(dǎo)電玻璃，該玻璃具有較強(qiáng)導(dǎo)電能力，連接電壓負(fù)極形成高壓電場；另外，該導(dǎo)電玻璃具有高透過率，方便顯微鏡下觀察電紡纖維的分布和三維支架的結(jié)構(gòu)。
[0055]由于各個參數(shù)和外界環(huán)境對靜電紡絲的影響較大，為了獲得穩(wěn)定的紡絲過程，需要多次重復(fù)步驟3、4、5來選擇合適的金屬噴射頭6內(nèi)徑、紡絲間距和電壓值。參數(shù)的選擇如下:紡絲間距一般在3?8cm范圍內(nèi)，電壓值一般在4000V?9000V之間。
[0056]通過步驟7將三維支架從接收板8上取下，原理是步驟2中在接收板8表面涂了ー層聚氧化こ烯水溶液作為基底，電紡纖維附著于聚氧化こ烯之上。當(dāng)接收板8浸入水后，聚氧化こ烯溶于水，所得的三維支架便會自動脫落，漂浮于水面上。
[0057]從SEM圖片中，可以觀察到纖維在不同方向交錯排列，進(jìn)而層層疊加，通過近似編織方法而得到的三維支架應(yīng)當(dāng)具有較好的力學(xué)性能。
[0058]綜上所述，利用本實(shí)用新型的靜電紡絲設(shè)備可以制備得到具有較高孔隙率、良好力學(xué)性能和生物相容性、降解速率可控、能夠懸浮于液面的組織工程三維支架，制備方法簡單，整個過程易于操作。
[0059]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本實(shí)用新型不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本實(shí)用新型的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本實(shí)用新型的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此g在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本實(shí)用新型內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
[0060]此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個實(shí)施方式僅包含ー個獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為ー個整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。
【權(quán)利要求】
1.一種可降解組織工程三維支架的制備設(shè)備，其特征在于:所述的設(shè)備包括高壓電源(I)、計(jì)算機(jī)(2)、設(shè)有微量供液泵的精密供液系統(tǒng)(4)、金屬噴射頭(6)、X-Y精密載物平臺(7)、接收板(8)、CM0S攝像機(jī)和顯微鏡載物臺，所述高壓電源(I)的外控接ロ通過設(shè)于計(jì)算機(jī)(2)內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)(2)通訊接ロ相連接；所述精密供液系統(tǒng)(4)通過通訊接ロ( 3 )與計(jì)算機(jī)(2 )相連，外接有輸流管(5 )，所述輸流管(5 )末端接有金屬噴射頭(6 )，微量供液泵、輸流管(5 )以及金屬噴射頭(6 )形成單向通路；所述X-Y精密載物平臺(7 )、CMOS攝像機(jī)分別與計(jì)算機(jī)(2)通過通訊接ロ相連接；所述接收板(8)固定于X-Y精密載物平臺(7)上，并與高壓電源(I)負(fù)極相連接，所述高壓電源(I)正極與金屬噴射頭(6)相連接，所述顯微鏡載物臺安裝于X-Y精密載物平臺(7)上，并設(shè)有生物顯微鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于:所述的高壓電源(I)提供電壓開啟、關(guān)閉以及幅值大小可控的0?IOKV直流電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于:所述的微量供液泵供液精度為Inl。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于:所述的接收板(8)為ITO導(dǎo)電玻璃。
【文檔編號】D01D5/00GK203451656SQ201320406210
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月9日
【發(fā)明者】汝長海, 陳瑞華, 楊湛, 王蓬勃, 王飛龍 申請人:蘇州大學(xué)