[发明专利]一种具有内置营养通道的三维生物结构的打印方法

说明书

技术领域

本发明属于组织工程技术领域，尤其是涉及一种具有内置营养通道的三维生物结构的打印方法。

背景技术

目前，全球每年等待器官移植的患者数量惊人。美国每年有超过6500人因未能及时得到捐赠的器官而死亡。此外，即便得到了捐赠的器官，患者在接受移植技术后也会出现不同程度的排异反应。目前有两种制作器官的主要方法，一是利用组织工程的思路，打印支架然后在支架内培养细胞，二是利用细胞直接打印构成器官。

目前基于组织工程技术制作器官的思路是先制作多孔支架然后在支架内培养细胞，最后将其移植到生物体内，继续培养。但组织工程方法难以解决细胞的密度问题，且细胞是在支架表面上生长，而真实的细胞生长环境是三维的，更重要的是表面的细胞可以得到更多的营养，内层细胞营养不良。

因而目前器官打印技术又称之为细胞打印技术开始逐渐成为生物器官制造的研究热点。将细胞混合营养液作为生物材料，利用3D打印技术构造出实体器官，然后再进一步进行后续培养便可获得具备生物活性的组织结构。从长远看可以解决人体器官短缺的难题，目前而言也可为高通量药物筛选、生物医学机理研究等提供更为有效的手段。对一个活性组织而言，器官内遍布的各类血管是器官保持活性的根本，各类血管组成的是一个立体的流道网络，只有有效的加工出和试剂生物器官相似的流道网络才有可能实现营养的有效输送，避免外层细胞营养过剩，内层细胞营养不良，确保打印出的细胞能在后续的培养中形成一个真正的活性器官。因而探索在打印同时实现支架/结构内的流道网络构建是活性支架打印的核心。

发明内容

鉴于现有技术无法很好地实现打印过程中凝胶内营养通道的构建，为了提高生物打印中细胞的活性，本发明提供了一种具有内置营养通道的三维生物结构的打印方法，利用三维打印装置，通过控制打印过程中的工艺参数，使形成的中空凝胶纤维未完全反应，没有完全反应的凝胶先驱材料可以融合成一体，最终得到所需要的三维生物结构。

具体方案分别如下：

一种具有内置营养通道的三维生物结构的打印方法，包括：利用三维打印装置打印含有细胞的中空凝胶纤维，通过控制打印过程中的工艺参数，使得打印出的含有细胞的中空凝胶纤维未完全反应，保证相邻两个中空凝胶纤维之间能够融合，打印完成后，使得所有含有细胞的中空凝胶纤维反应完全，得到具有内置营养通道的三维生物结构。

作为优选，所述打印方法的具体步骤为：

(1)制备凝胶先去材料水溶液和凝胶交联水溶液；

制备凝胶先驱材料水溶液时，具体操作步骤为：将灭菌后的凝胶先驱材料和去离子水混合，制备成一定浓度的凝胶材料水溶液。这里所用的凝胶先驱材料一般是离子敏感材料，包括海藻酸钠、壳聚糖等。作为优选，凝胶先驱材料选择为海藻酸钠，其来源广泛，生物兼容性好。

制备凝胶交联剂水溶液时，需要根据不同的凝胶先驱材料提供相应的触发条件，使其发生化学反应形成凝胶，形成具有一定强度的包含细胞的中空凝胶纤维。这里所述的触发条件一般是一种离子溶液，称为凝胶交联剂，例如海藻酸钠对应着氯化钙溶液，壳聚糖对应着氢氧化钠溶液。作为优选，凝胶交联剂选择为氯化钙溶液，其与海藻酸钠反应，产物为海藻酸钙，形成的结构强度较高；

(2)选定所需细胞，培养后与凝胶先驱材料配制的溶液混合均匀，制备得到溶液细胞的混合物；本步骤中，细胞的种类需要根据实际需要的生物要求确定，细胞的浓度要根据目标组织器官的要求确定。

(3)将溶液细胞的混合物加入到与外喷头相连的注射器中；将所述凝胶交联剂水溶液加入到与内喷头相连的注射器中；所述外喷头和内喷头同轴设置，所述内喷头的出料端伸入外喷头的喷腔内且继续延伸至于外喷头的出料端平齐；

外喷头和内喷头组成整体的同轴喷头，通过将两个注射器均放置在双通道注射泵上，利用注射泵实现对外喷头和内喷头流量的控制；

(4)设置外喷头和内喷头的出料速度、运行参数，控制外喷头和内喷头按照设定轨迹打印，得到未完全反应的中空凝胶纤维，且相邻中空凝胶纤维线与线之间融合在一起，完成第一层的打印，i＝1；

外喷头和内喷头的出料速度主要利用双通道注射泵控制，以保证得到含有细胞的未完全反应的中空凝胶纤维；

运行参数一般是指同轴喷头的运行速度和轨迹等，这些参数均可通过三维打印装置直接控制；

一般情况下，同轴喷头将物料打印至成形平台上，成形平台在Z轴驱动机构的驱动下科研z轴运动；同轴喷头一般与X轴驱动机构和Y轴驱动机构连接，通过X轴驱动机构和Y轴驱动机构可分别实现同轴喷头沿x轴方向的移动和沿y轴方向的移动；