[发明专利]硬材料与细胞一体化三维生物打印方法、骨修复功能模块和骨类器官的制备方法与应用

说明书

本发明涉及硬生物医用材料的骨科内植物先进制造技术领域，具体而言，涉及硬材料与细胞一体化3D打印新技术、制备具有成骨微环境的骨修复功能模块和骨类器官方法与骨缺损快捷修复应用。本发明还提供了一种生物微环境因子作为独立成骨因素的制备方法。该一体化3D打印新技术通过调节温度，实现细胞单元与硬材料同步三维立体打印，从而构建真正意义上的仿生骨组织，可根据病人特定缺陷和临床需求订制。在上述方法得到的骨修复功能模块里，细胞在硬材料表面具有高存活率和增殖活性，实现成骨分化和生物矿化；植入后具有骨形成和骨吸收双重代谢功能、促血管和神经生成功能以及提高弹性模量、降低应力屏蔽作用，特别适于制备硬组织替换或修复材料产品。

技术领域

本发明涉及骨科内植物与高强度生物医用材料、先进制造和智能制造技术领域，具体而言，涉及硬材料与细胞一体化三维生物打印方法、骨修复功能模块和骨类器官的制备方法与应用。

背景技术

因创伤、炎症、肿瘤切除等原因造成每年有大量人群发生骨缺损，但人体自身无法再生修复大段临界骨缺损，大多数情况下需要外部手术干预来恢复正常。目前临床上的常用的骨移植物材料有以下几种：自体骨，即材料取之于病人本人身体，是最理想的修复物，却存在二次伤害，多术区及供区并发症、来源不足等问题；异体骨，多来自尸体捐献或是动物，存在免疫反应、潜在感染风险及医学伦理等问题。因此，开发适合替换或修复骨缺损的新型骨移植材料及相应的制备工艺具有重要意义。

人体正常的骨组织存在两种不同结构：松质骨和皮质骨，松质骨为多孔结构，具有45％～90％的孔隙率；皮质骨则更为致密，分布在骨干和骨组织表面，孔隙率5％－20％。但是，无论松质骨还是皮质骨，为了促进骨组织的连续向内生长，相互连通的孔隙结构都是非常重要的。这是因为，相互连通的孔隙能够允许营养物质和氧气传输到支架的内部，促进细胞和组织向支架内部结构生长，促进支架血管化的形成以及代谢产物的去除。

目前，多孔骨修复支架可以通过多种方法制造，例如化学/气体发泡，溶剂浇铸，颗粒沥滤法，冷冻干燥等，但这些三维支架制备工艺对于孔隙的形状、大小、结构的控制以及连通性的控制欠佳。而使用三维打印方法设计和制造这种支架，可有效解决上述问题；同时，三维打印方法还能够根据病人特定的缺损部位、形状及临床需求进行个性化订制。

近年来，三维打印方法的改进使得活细胞3D生物打印技术越来越成熟，应用生物材料比如水凝胶包裹细胞，可以解决细胞的存活以及功能化问题。但是这种水凝胶生物材料的机械强度很低，远未达到骨科内植物的强度要求。采用3D生物打印的方法将多孔骨修复支架的制备与活细胞打印相结合，成为人们优先解决的重点，以兴起新一代骨组织工程，成为研究热点。

目前，组织工程对于多孔材料的机械性能要求较高，使得用于制备多孔骨支架的材料选择受到限制，而具有高机械强度的材料往往熔点较高，很难实现与活细胞同步打印。因此，现有的搭载活细胞的多孔支架材料中，活细胞与多孔支架材料之前是相互独立的，活细胞仅仅是依附在多孔支架材料表面，并未实现真正意义上的仿生骨组织工程材料的制备。

故此，中国科技部“增材制造与激光制造”重点专项2018年度项目申报指南中的项目1.6多细胞精准3D打印技术与装备(重大共性关键技术类)的设立的考核指标之一“保证85％以上细胞存活不小于10天”。先解决细胞存活，才有可能发挥细胞的生物学功能，完成临床治疗重任。

因此，发现和构建体内成骨生物微环境，是赋予生物材料和细胞一体化3D生物打印复合结构成为骨修复功能模块的前提，高质量开展其被移植到体内后骨形成和骨重建工程，完美完成骨组织再生修复，建立临床应用的行业标准。

此外，骨组织是经多种骨类细胞与骨基质经生物矿化形成的，其形成过程复杂，与多种骨类细胞的生理活动有关，而现有负载活细胞的骨组织材料中选用的仅包含单一种类细胞，其成骨分化能力欠佳，不利于早期骨整合。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容