[发明专利]一种三维多尺度血管化支架的构建系统和方法

说明书

本发明公开了一种制备三维多尺度血管化支架的构建系统和方法，本系统包括3D打印机、医用注射器、空气压缩机和高压电。本方法采用生物3D打印技术与电流体动力学直写相结合通过增减材制造技术复合方法制造含有三维多尺度血管化网络通道的支架。本发明所需要牺牲模板的三维形状由打印的明胶半球的形状赋予，整个过程无有害物质产生且材料易获得。借助于明胶、普朗尼克F127和PCL的可打印性来成型三维多尺度的血管化支架，解决了单独采用生物3D打印无法获得三维多尺度血管网络的问题。对于临床医学上解决人体组织修复问题中的血管化问题具有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种三维多尺度血管化支架的构建系统和方法，应用于生物制造技术领域。

背景技术

在过去的几年中，与组织工程相关的研究，如神经，皮肤，耳和软骨等的制造已经有了较大的发展。然而，复杂的器官和体外组织制造在这一领域仍然是一个巨大的挑战。在这个制造过程中最重要的问题之一是三维血管网络的形成。在工程化组织结构中，细胞必须与氧气和营养供应足够接近(100-200μm)才可以防止其坏死，同时均匀分布的三维血管和毛细血管网络也为代谢产物提供了传递通道。因此，工程组织支架中血管化的形成对于组织再生是重要的，并且有利于工程组织支架与宿主脉管系统的整合。

目前，主要用来解决血管化问题的方法分为以下几种：第一种是构建类血管结构直接替代原本受损血管即直接制备人造血管来进行替代。在该方法中，海藻酸钠和氯化钙的同轴挤出用于形成单根管结构的中空纤维。根据需要把打印的中空纤维嵌入工程支架得到具有预血管化网络的工程支架。第二种是通过构建带通道结构促进内皮细胞等形成血管化。国外研究表明，在水凝胶材料中制备出带通道的结构可以促进血管化。因此这种方法中是将牺牲材料如普朗尼克F127，海藻酸钠和琼脂糖等打印成设计好的三维血管网络牺牲模型，再将牺牲模板浸入水凝胶中，待水凝胶成型后去除牺牲模板，从而形成具有三维血管网络的支架。

虽然这两种种方法可以制造出类似于人体组织血管的血管网络结构，但在第一种方法中制造的血管网络尺寸单一且没有分支。第二种方法中因此制造的血管网络三维结构为二维累加或尺寸较大不适用人体较小尺度的三维血管网，这些种方法并不能有效地解决组织支架中三维多尺度血管化网络制造的的问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种三维多尺度血管化支架的构建系统和方法，利用生物3D打印技术与电流体动力学直写技术相结合通过增减材复合制造的方法，在水凝胶打印的基地上打印三维多尺度牺牲模板，制造含三维多尺度血管化网络的工程组织支架，以便更好地模拟组织的血管结构。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种三维多尺度血管化支架的构建系统，包括3D打印机，医用注射器，空气压缩机和高压电源。3个所述医用注射器安装在3D打印机上，第一和第二个医用注射器与空气压缩机相连接，作为3D打印第一和第二喷头用于打印改性明胶与普朗尼克F127。第三个医用注射器的针头与高压电源的正极相连，作为3D打印第三喷头，3D打印机的接受平台与高压电源的地线相连用于电流体动力直写。

一种三维多尺度血管化支架的构建方法，使用上述的三维多尺度血管化支架的构建系统，进行操作，其特征在于操作步骤如下：

a.在3D打印机接收平台上打印用于接收牺牲模板的半球形支架：用去离子水配置15％的水凝胶，放置60℃水浴中进行搅拌，直至水凝胶颗粒均匀溶解并且温度降到30℃，此时加入交联剂以交联水凝胶溶液，将配置好的水凝胶加热至熔融态并保持装入第一个医用注射器中，使用生物打印机的第一个喷头把熔融态水凝胶在3D打印机接收平台上打印出半球形支架；