專利名稱：一種基于溶芯技術(shù)的組織工程復雜管網(wǎng)狀支架成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種組織工程復雜管網(wǎng)狀支架成形方法，屬于組織工程支架的成形制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
組織工程支架作為組織工程三要素之一，為細胞生長提供附著的物質(zhì)基礎(chǔ)以及機械支撐，是開展組織工程研究的基礎(chǔ)。人體組織工程技術(shù)要求支架具有良好的生物相容性、可降解性；具有合適的力學性能；具有與目標器官相似的宏觀形貌以及一定的微孔機構(gòu)。其中支架的宏觀形狀基本上決定了人工組織或器官最終的形狀。在神經(jīng)導管修復、血管、涎腺、組織工程等消化管、呼吸道、尿道和生殖道等以中空管狀的為主要功能結(jié)構(gòu)的器官的組織工程中都需要以管網(wǎng)結(jié)構(gòu)為主要特征的支架。此外，在肝臟、腎臟等復雜器官組織工程中，也需要具有復雜空間網(wǎng)系結(jié)構(gòu)的管狀支架作為基礎(chǔ)。目前組織工程管狀支架的成形技術(shù)主要可分為三類一類以手工成形為主，輔以簡單機械；一類專門機械成形；一類基于離散/堆積原理的成形技術(shù)。
手工成形為主的成形方法的典型的工藝如下以玻璃棒或者聚四氟乙烯棒為內(nèi)芯，將聚己內(nèi)酯(PGA)無紡網(wǎng)在玻璃棒或者聚四氟乙烯棒上，縫合或者黏合接頭處，手工將支架材料從內(nèi)芯上剝離后，即可得到中空管狀支架。
也有人采用玻璃模具法手工制作管狀支架。[潘勇，黃蔚，艾玉峰，熊猛，張琳西，彭湃，組織工程人工血管支架的預(yù)構(gòu)，中華整形外科雜志，2003(1)，Vol.19，P44-46.]此法采用玻璃棒作為內(nèi)芯，使用較粗的玻璃管作為外模，將二者組合后作為模具。將聚己內(nèi)酯(PGA)無紡網(wǎng)與交聯(lián)的膠原溶液混合，灌入模具型腔中，4℃冰箱中過夜，干燥后手工將支架材料從模具中剝離，即可得到支架。
手工成形法操作簡單易行，可用于簡單直管成形，多用于組織工程細胞培養(yǎng)技術(shù)的研究。但該方法僅能成形簡單的直筒狀支架，無法成行具有分叉結(jié)構(gòu)的管狀支架。因為需要手工將材料從玻璃棒上剝離，因此該方法對小口徑、長度/直徑比較大的支架成形困難。受模具限制，該方法加工柔性差。
專用機械成形典型工藝——擠出成形法。[Markus S.Widmer，Puneet K.Gupta，LichunLu，etc.Manufacture of porous biodegradable polymer conduits by an extrusion processfor guided tissue regeneration，Biomaterials 1998(19)P1945-1955.]該方法基本工藝流程如下1)材料制備。將PLLA或者PLGA材料制成二氯甲烷溶液，并向溶液中加入一定比例的氯化鈉顆粒作為制孔劑，混合均勻后將溶液冷凍，并用冷凍干燥法除去溶劑。將凍干后的材料剪碎成小于5mm的碎塊備用。2)擠出成形。將制備的材料碎塊裝入擠出機，擠出機首先將材料加熱至PLLA或者PLGA的熔點以上，然后以一定速度從噴嘴擠出，得到管狀毛胚。3)用溶劑(水)溶出支架中的NaCl顆粒制孔劑，干燥后即得到管狀支架。該方法的優(yōu)點是支架重復性好，成形效率高。缺點是該方法成形材料的種類有限，而且加工中存在高溫過程，對材料性能影響較大，不利于保持材料的生物、力學性能。同時該方法僅能成形單管，無法成形具有分叉結(jié)構(gòu)的復雜管網(wǎng)系支架以及具有材料梯度和功能梯度結(jié)構(gòu)的支架。該方法中，材料需要經(jīng)歷熔融，將會對生物相容性高分子材料產(chǎn)生不利影響。
基于離散/堆積原理的成形技術(shù)的典型工藝——基于三維打印(3DP)的負模鑄造法[E.Sachlosa，N.Reisa，C.Ainsley，etc.Novel collagen scaffolds with predefinedinternal morphology made by solid freeform fabrication，Biomaterials 2003(23)，P1487-1497.]。該方法具體流程如下1)首先根據(jù)支架的具體形狀設(shè)計負模具的CAD模型，然后在3DP成形設(shè)備Model-Maker II型設(shè)備(美國Solidscape Inc.生產(chǎn))上制作負模具的原型。將得到的原型浸入特定溶劑中，溶除支撐材料，去除溶劑后即得到負模具。2)按一定要求制備膠原的水溶液。將膠原溶液倒入負模具型腔中，并將模具放入-20℃冰箱中冷凍。3)在-20℃的低溫環(huán)境中將冷凍的模具放入酒精溶液，將負模具溶解，并脫去膠原材料中的冰晶。4)最后采用冷凍干燥技術(shù)凍干剩下膠原支架，除去酒精等溶劑，即可得到組織工程支架。此方法的優(yōu)點是以三維打印技術(shù)為基礎(chǔ)，具有良好的成形精度和加工柔性。但該方法目前僅能成形膠原材料，無法成形在組織工程中應(yīng)用最為廣泛的人工合成高分子材料。同時該方法使用有毒材料制作模具，材料殘留對支架性能影響不容忽視。同時該方法同樣無法成形管壁具有梯度結(jié)構(gòu)的管狀支架。
在人體組織工程中，因為目標組織或者器官的不同，以及實施方法的不同，對支架材料，支架的宏觀尺寸、微孔結(jié)構(gòu)、微孔尺寸、孔隙率、降解周期等性能的要求也各不相同。例如，在首都醫(yī)科大學開展的涎腺組織工程中，對支架要求如下1)孔隙率要求在85％以上，微孔直徑大約為20～40μm，而且微孔之間具有良好的貫通性；2)力學性能彈性應(yīng)變不小于30％，彈性模量約為50～100KPa。3)內(nèi)徑1mm左右，宏觀形貌為一端封閉的直管。而在血管組織工程的體內(nèi)培養(yǎng)方案中，對支架的結(jié)構(gòu)以及力學性能要求則更為復雜1)希望管狀支架壁結(jié)構(gòu)能夠具有與天然血管壁類似的分層梯度結(jié)構(gòu)，各層的孔隙率、孔徑大小各不相同；2)良好的抗凝血性能；3)支架柔韌，可抗較大內(nèi)壓，良好的縫合性能，良好的彈性等等。而在肝臟、腎臟等復雜器官的組織工程中，則更要求支架具有一定空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的管網(wǎng)支架，或者具有特定內(nèi)流道形狀的塊狀支架。
總上所述，組織工程對支架要求的多樣性和不確定性，要求支架的成形方法可成形多種材料、可成形具有復雜宏觀形貌的支架、可成形具有復雜微觀結(jié)構(gòu)的成形方法。目前的組織工程管狀支架的成形技術(shù)中，主要缺點如下
(1)手工成形法的主要缺點是僅能成形簡單直桶狀支架，而且對具有較大長度/直徑比的支架成形困難，更無法成形具有分叉結(jié)構(gòu)的管狀支架。此外該方法加工柔性差，支架重復精度低。
(2)機械成形法的主要缺點是無法成形帶有分叉結(jié)構(gòu)的管狀支架，也無法成形具有多層結(jié)構(gòu)支架，且該方法可成形材料的種類有限，也無法成形管壁具有梯度結(jié)構(gòu)的管狀支架。
(3)基于三維打印(3DP)的負模鑄造法，可成形具有內(nèi)流道結(jié)構(gòu)的塊狀支架，該工藝的主要缺點如下1)成形材料種類單一，目前僅能成形膠原材料，無法成形目前組織工程中應(yīng)用最為廣泛的人工合成高分子材料。2)無法成形具有材料梯度和孔隙梯度的支架，而且該工藝比較適合于成形具有特定內(nèi)流道的塊狀支架，成形薄壁管狀支架能力較差。3)所使用的模具材料具有很強的生物毒性。在模具溶除過程中，材料的殘留會對支架本身的生物相容性造成不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前管狀支架工藝存在的可成形材料種類有限、無法成形具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的管狀支架以及無法成形管壁具有材料梯度以及孔隙梯度的管狀支架的問題，開發(fā)了一種基于溶芯技術(shù)的組織工程復雜管網(wǎng)狀支架成形方法。目的是為了提供一種新的支架成形方法，能夠滿足組織工程對支架復雜的結(jié)構(gòu)以及性能要求，可成形空間管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的管狀支架或者具有內(nèi)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的塊狀支架，而且可成形管壁具有梯度結(jié)構(gòu)的支架。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于溶芯技術(shù)的組織工程復雜管網(wǎng)狀支架成形方法，其特征在于該方法按如下步驟進行a)、首先根據(jù)支架外輪廓的空間形狀以及支架內(nèi)流道空間形狀，利用三維制圖軟件，設(shè)計內(nèi)芯或者模具的三維電子模型；b)、采用無生物毒性、可溶于水的熱塑性材料，利用快速成形技術(shù)，直接成形或者間接成形步驟a)中設(shè)計的內(nèi)芯或者模具；c)、選定至少一種可溶于可揮發(fā)有機溶劑的生物相容性高分子材料或者不溶于中性水溶液的天然生物相容性材料，用可揮發(fā)溶劑將選定的生物相容性材料分別配制成質(zhì)量體積比濃度為2％～20％的系列溶液；d)、在步驟(c)所配制的系列溶液中加入水溶性致孔劑，生物相容性材料與致孔劑材料按重量比為1∶0～100的比例加入，并將溶液混合均勻；所述的水溶性致孔劑采用氯化鈉顆粒、碳酸氫銨顆粒、水溶性單糖或雙糖顆粒。
e)、采用噴涂、浸潤、電紡絲或者澆鑄的工藝方法將步驟d)中制備的系列溶液按順序均勻的沉積在步驟b)中所成形的內(nèi)芯外表面上；或者將系列溶液澆灌入模具內(nèi)腔中；并通過自然晾干、真空干燥或者冷凍干燥的方法使其溶劑揮發(fā)。每種材料沉積數(shù)量由支架管壁具體性能要求決定。
f)、將步驟e)中得到的內(nèi)芯或模具浸入蒸餾水中，溶除內(nèi)芯以及致孔劑；將支架從蒸餾水中取出后，采用自然晾干、真空干燥或者冷凍干燥的方法揮發(fā)掉支架中的水分，即制得管網(wǎng)狀支架或具有特定內(nèi)流道的組織工程用支架。
步驟b)中所述的無生物毒性、可溶于水的熱塑性材料采用單糖、雙糖、水溶性多糖或者其混合物。
步驟c)中所述的可溶于可揮發(fā)有機溶劑的生物相容性高分子材料采用聚乳酸及其聚合物、聚乙交酯、聚乳酸-聚乙交酯共聚物、聚己內(nèi)酯、聚β-羥基丁酸酯、聚β-羥基丁酸酯-聚羥基戊酸酯共聚物、聚己內(nèi)酯-聚乙二醇多嵌段共聚物或者聚氨酯；所述的不溶于中性水溶液的天然生物相容性材料采用膠原。所述的可揮發(fā)有機溶劑采用鹵代烴、乙酸乙酯、二氧雜環(huán)乙烷、四氫呋喃、三氯甲烷或二氯甲烷中的一種或者其中幾種的混合體系。
可在步驟c)中所配制的溶液中可添加TCP或HA的粉末。
步驟b)中所述支架內(nèi)芯或模具的直接成形方法，采用熔融擠壓成形工藝、激光選區(qū)燒結(jié)或三維打印成形；所述的間接成形技術(shù)過程如下首先采用以快速成形技術(shù)制作的原型零件為基礎(chǔ)，翻制硅膠模，然后利用硅膠模具制造內(nèi)芯或模具；或直接使用快速原型技術(shù)制作母模，然后使用母模制作內(nèi)芯或模具。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點及突出性效果本發(fā)明采用無生物毒性、易溶于水的材料來制造內(nèi)芯和模具，解決了內(nèi)芯材料殘留以及內(nèi)芯去除過程中各種有毒溶劑對支架材料生物相容性的影響，縮短了工藝流程。本發(fā)明采用快速成形技術(shù)來成形支架內(nèi)芯，快速成形技術(shù)具有加工容性大，可根據(jù)CAD模型直接、成形快速的特點，保證了本發(fā)明具有成形復雜支架的能力，可實現(xiàn)用戶化的支架制造。本發(fā)明可成形管壁具有材料梯度和孔隙梯度結(jié)構(gòu)的支架。同時本發(fā)明適用材料廣泛，目前組織工程中廣泛使用的多類高分子聚合物以及膠原材料等都可使用本發(fā)明成形。本發(fā)明采用噴涂、浸入裹敷、鑄造、電紡絲等工藝方法將多種材料溶液按一定次序涂覆、噴涂在內(nèi)芯表面，從而實現(xiàn)管狀支架壁的分層以及孔隙梯度、材料梯度成形。通過控制材料沉積的次序、調(diào)整沉積工藝參數(shù)，可控制管壁徑向的材料梯度。通過調(diào)整微孔成形工藝參數(shù)，可控制管壁徑向的孔隙梯度。本成形方法，將快速成形技術(shù)的巨大加工柔性，同現(xiàn)有的較為成熟的支架成形工藝相互結(jié)合，并采用無生物毒性、水溶性的材料來制作支架支持物，可很好的滿足組織工程中對支架，特別是對管狀支架復雜的材料、結(jié)構(gòu)以及機械性能以及生物相容性能的復雜、多方面的要求。


圖1為本發(fā)明制作工藝流程圖。
圖2為采用本發(fā)明制作的管壁具有三層結(jié)構(gòu)的二分叉管狀支架示意圖。
圖3為圖2中A部分的放大。
圖4為支架內(nèi)管網(wǎng)內(nèi)芯結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
圖1為本發(fā)明提供的一種基于溶芯技術(shù)的組織工程復雜管網(wǎng)狀支架成形方法的工藝流程圖。本發(fā)明方法首先需要利用三維制圖軟件，設(shè)計內(nèi)芯或者模具的三維電子模型。制作管狀支架時，內(nèi)芯形狀由管狀支架內(nèi)腔決定。制作具有內(nèi)流道的支架時，則首先根據(jù)支架外輪廓形貌設(shè)計外模具，同時根據(jù)內(nèi)流道形狀設(shè)計內(nèi)芯，將二者裝配后使用。內(nèi)芯或者模具設(shè)計完成后，利用快速成形技術(shù)，采用無生物毒性、可溶于水的熱塑性材料，直接成形或者間接成形所設(shè)計的內(nèi)芯或者模具。目前本發(fā)明所采用的內(nèi)芯或者模具的制造材料為水溶性單糖、雙糖、多糖及其混合物，如葡萄糖、麥芽糖、蔗糖和果糖等。直接成形方法可采用采用熔融擠壓成形工藝、激光選區(qū)燒結(jié)或三維打印成形。間接成形技術(shù)可采用如下方法進行首先采用以快速成形技術(shù)制作的原型零件為基礎(chǔ)，翻制硅膠模，然后利用硅膠模具制造內(nèi)芯或模具；或直接使用快速原型技術(shù)制作母模，然后使用母模制作內(nèi)芯或模具。
根據(jù)支架對材料以及機構(gòu)的要求，選定一種或者多種組織工程支架用生物相容材料，并將材料溶于可揮發(fā)性溶劑中，配置成質(zhì)量體積比濃度為2％～20％的系列溶液。根據(jù)支架對微孔空襲率、微孔孔徑分布以及孔徑大小的要求，選定一定比例以及一定顆徑的水溶性制孔劑，并將制孔劑加入配置的系列溶液中，混合均勻。此處選用的生物相容性材料，即可以是人工合成的聚合物材料，如聚乳酸(PLA)及其各種構(gòu)型的聚合物、聚乙交酯(PGA，又稱聚羥基乙酸)、聚乳酸-聚乙交酯共聚物(PLGA)、聚己內(nèi)酯(PCL)、聚β-羥基丁酸酯(PHB)、PHB-聚羥基戊酸酯(PHV)共聚物、聚己內(nèi)酯(PCL)-聚乙二醇(PEG)多嵌段共聚物或者聚氨酯(PU)；也可以是不溶于中性水的天然生物性溶性材料，如膠原。此處指的揮發(fā)性溶劑可以是鹵代烴、乙酸乙酯、二氧雜環(huán)乙烷、一四二氧六環(huán)、四氫呋喃、三氯甲烷或二氯甲烷中的一種或者其中幾種的混合體系；也可以是弱酸性或者弱堿性水溶液。溶液配制完成后，還可向溶液中加入TCP或者HA粉末以改善生物相容性材料的某些性能。
溶液置備完畢后，則按一定的工藝順序?qū)⒉牧铣练e在內(nèi)芯表面或者模具內(nèi)腔中。此步驟中，首選需要根據(jù)管狀支架壁中材料梯度的分布以及孔隙梯度的分布情況，設(shè)計系列溶液的沉積的順序以及沉積量。然后根據(jù)實現(xiàn)設(shè)計的順序，按照需求的數(shù)量沉積材料。沉積材料時，除采用常用的浸潤涂敷、噴涂以及澆鑄等手段外，還可采用電紡絲技術(shù)，向內(nèi)芯表面沉積材料。材料沉積完畢后，即得到管壁具有梯度結(jié)構(gòu)的支架的雛形。最后將帶有內(nèi)芯以及制孔劑的支架雛形浸入蒸餾水中，溶除內(nèi)芯及模具以及制孔劑。將支架從蒸餾水中取出，自然晾干或者真空干燥后，即可得到最終支架。
實施例1某組織工程中需要具有平面分叉結(jié)構(gòu)的管網(wǎng)狀載體管狀支架，其“樹干”處最大直徑為3mm，樹干下有兩分叉結(jié)構(gòu)，分叉直徑3mm。支架管壁具有三層結(jié)構(gòu)。內(nèi)壁需要孔徑在70um的微孔結(jié)構(gòu)，孔隙率為90％左右，材料為PLGA。外壁需要孔徑在120um的微孔結(jié)構(gòu)，孔隙率為75％左右，材料與內(nèi)層相同。中間層無微孔結(jié)構(gòu)，材料為PCL-PET多嵌段共聚物。
(1)設(shè)計支架內(nèi)芯。使用SolidWorks三維CAD軟件設(shè)計內(nèi)芯的三維結(jié)構(gòu)，并將支架內(nèi)芯的CAD模型輸出為STL文件格式。
(2)采用熔融擠出工藝(MEM工藝)制作內(nèi)芯。內(nèi)芯成形材料為麥芽糖、葡萄糖以及蔗糖的混合物。該材料具有良好的熔融擠壓成形性能，無生物毒性，極易溶于水。在北京殷華激光快速成形及模具技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MEM250-II型熔融擠壓成形機上制作支架內(nèi)芯。在此內(nèi)芯加工成形過程中，采用的主要工藝參數(shù)為層厚0.20mm，掃描速度23mm/s。
(4)制備成形材料溶液。
配置溶液a將4g PLGA(Mη100,000)溶于50ml有機溶劑一四二氧六環(huán)中，配制成8％(wt/v)的聚合物溶液。按照與PLGA重量比9∶1的比例，向溶液中加入經(jīng)過研磨、篩選過的粒徑在60um～78um的NaCl顆粒36g，并在磁力攪拌機上攪拌均勻，備用。
配置溶液b將3.0g的PCL-PET共聚物溶于15ml由有機溶劑，配制成20％(wt/v)的聚合物溶液；有機溶劑采用一四二氧六環(huán)和四氫呋喃按體積比5∶1配制成的混合液。
溶液c將1.5g PLGA(Mη100,000)溶于15ml有機溶劑一四二氧六環(huán)中，配制成10％(wt/v)的聚合物溶液。按照NaCl與PLGA重量比3∶1的比例，向溶液中加入經(jīng)過研磨、篩選過的粒徑在120μm左右的NaCl顆粒，并在磁力攪拌機上攪拌均勻，備用。
(5)裹敷材料。
將支架內(nèi)芯緩慢、垂直浸入溶液a中，將內(nèi)芯緩慢提出，并將其懸掛在自制的旋轉(zhuǎn)器上。打開旋轉(zhuǎn)器，讓內(nèi)芯自然風干。15分鐘后，重復上述步驟。以此類推，在內(nèi)芯表面上涂覆6層溶液a。
將內(nèi)芯置入通風柜，風干1小時。
采用同樣的方式在內(nèi)芯表面裹敷4層溶液b。
將內(nèi)芯置入通風柜，風干1小時。
最后以同樣的方式裹敷6層溶液c。
將內(nèi)芯放入通風櫥中風干48小時。
(6)將風干的內(nèi)芯浸入蒸餾水中，浸泡36小時，中間每隔4～8小時換液一次。溶去支架支持物以及致孔劑。
(7)將支架從蒸餾水中取出，真空干燥，即可得到最終支架。
最終支架示意圖如圖2所示。其中圖2中局部A的放大圖如圖3所示。圖3中，a為孔隙率為90％，孔徑在70um左右的的PLGA層。b為無孔的PCL-PET共聚材料層。c為孔徑在120um左右，孔隙率為75％的PLGA層。
實施例2制備具有內(nèi)管網(wǎng)的三維塊狀支架。該支架內(nèi)部具有相互連通的內(nèi)管網(wǎng)。該支架內(nèi)管網(wǎng)具有三層空間分叉結(jié)構(gòu)，四級管徑，其直徑大小依次為1200μm、900μm、600μm、300μm。內(nèi)管網(wǎng)形狀如圖3所示。該支架制作流程如下(1)根據(jù)內(nèi)管網(wǎng)的形狀，采用Solidworks軟件設(shè)計內(nèi)管網(wǎng)內(nèi)芯。根據(jù)支架外觀形狀，設(shè)計支架外輪廓內(nèi)芯。并分別將得到的模型輸出為STL文件。內(nèi)管網(wǎng)內(nèi)芯形狀如圖4所示(2)基于立體光刻工藝間接成形內(nèi)管網(wǎng)內(nèi)芯。
首先使用北京殷華激光快速成形及模具技術(shù)有限公司生產(chǎn)的激光立體光刻成形機Auro-350型光固化設(shè)備成形內(nèi)管網(wǎng)內(nèi)芯。成形材料為DSM Somos WaterShedTM 11120光敏樹脂。利用成形樹脂內(nèi)管網(wǎng)支持物作芯，翻制硅膠模具。將熔融的麥芽糖材料灌入硅膠模中，冷卻后開模，得到水溶性內(nèi)管網(wǎng)內(nèi)芯。
(3)基于熔融擠出工藝的外輪廓內(nèi)芯直接成形。
使用北京殷華激光快速成形及模具技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MEM250-II型熔融擠壓成形系統(tǒng)制作支架外輪廓支持物。成形材料為麥芽糖、葡萄糖以及蔗糖的混合物。采用的主要工藝參數(shù)為層厚0.20mm，掃描速度23mm/s。
將內(nèi)管網(wǎng)支持物與外輪廓支持物進行裝配，得到支架負模具。
(3)將3g PLGA(Mη100,000)溶于20ml一、四二氧六環(huán)中，配制成15％(wt/v)的聚合物溶液。
(4)將步驟(3)中制備的溶液澆鑄入步驟(2)制備的支架負模具中，并將模具放入-30℃的冰箱中冷凍4小時。
(5)將模具放入冷凍干燥機中，冷凍干燥48小時。
(6)將冷凍干燥后的支架放入蒸餾水中浸泡24小時，其間每隔4～8小時換液一次。
(7)將支架真空干燥或者自然風干，即可得到具有特定內(nèi)管網(wǎng)以及外輪廓的支架。
實施例3制備具有平面分叉結(jié)構(gòu)的膽總管支架。該支架宏觀結(jié)構(gòu)為一內(nèi)徑為9mm的總管，分出臉兩個內(nèi)徑分別為8mm和6mm的分叉。管壁要求無微孔結(jié)構(gòu)，支架成形材料為PLLGA。
(1)設(shè)計支架內(nèi)芯。使用SolidWorks三維CAD軟件設(shè)計內(nèi)芯的三維結(jié)構(gòu)，并將支架內(nèi)芯的CAD模型輸出為STL文件格式。
(2)基于熔融擠出工藝的內(nèi)芯直接成形。
使用北京殷華激光快速成形及模具技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MEM250-II型熔融擠壓成形系統(tǒng)制作支架外輪廓支持物。成形材料為麥芽糖、葡萄糖以及蔗糖的混合物。采用的主要工藝參數(shù)為層厚0.20mm，掃描速度23mm/s。
(3)將1g PLL6A(Mv1000)溶于50ml三氯甲烷中，配制成2％(wt/v)的聚合物溶液。
(4)將溶液倒入空氣霧化噴槍中(C-MART牌，W-71型)，將材料均勻噴涂在內(nèi)芯表面。噴涂時，將內(nèi)芯放置在三面封閉的方形玻璃框中，將玻璃框內(nèi)的溫度控制在45℃左右。噴涂時，內(nèi)芯以5-10轉(zhuǎn)/分的速度繞總管軸線旋轉(zhuǎn)。噴槍所用壓縮空氣由空氣壓縮機通過塑料氣管提供。塑料氣管接入噴槍前，經(jīng)60℃水浴槽以加熱管內(nèi)壓縮空氣。噴涂時內(nèi)芯距離噴槍噴嘴距離為8cm。每噴涂30秒分鐘，停頓1分鐘。反復噴涂5次。
(5)噴涂完畢后，將內(nèi)芯取出放入通風櫥中自然風干24小時。然后放入蒸餾水中浸泡36小時，其間每隔4～8小時換液一次。
(7)將支架真空干燥或者自然風干，即可得膽總管支架。
權(quán)利要求
1.一種基于溶芯技術(shù)的組織工程復雜管網(wǎng)狀支架成形方法，其特征在于該方法按如下步驟進行a)、首先根據(jù)支架外輪廓的空間形狀以及支架內(nèi)流道空間形狀，利用三維制圖軟件，設(shè)計內(nèi)芯或者模具的三維電子模型；b)、采用無生物毒性、可溶于水的熱塑性材料，利用快速成形技術(shù)，直接成形或者間接成形步驟a)中設(shè)計的內(nèi)芯或者模具；c)、選定至少一種可溶于揮發(fā)性有機溶劑的生物相容性高分子材料或者不溶于中性水溶液的天然生物相容性材料，用可揮發(fā)溶劑將選定的生物相容性材料分別配制成質(zhì)量體積比濃度為2％～20％的系列溶液；d)、在步驟(c)所配制的系列溶液中加入致孔劑，生物相容性材料與致孔劑材料按重量比為1∶0～100的比例加入，并將溶液混合均勻；致孔劑采用氯化鈉顆粒、碳酸氫銨顆粒、水溶性單糖或者雙糖固體顆粒或者上述幾種致孔劑的混合物。e)、采用噴涂、浸潤、澆鑄或者電紡絲的工藝方法將步驟d)中制備的系列溶液按順序均勻的噴涂、裹敷在步驟b)中所成形的內(nèi)芯外表面上；或者將系列溶液澆灌入模具內(nèi)腔中；并通過自然晾干、真空干燥或者冷凍干燥的方法使其溶劑揮發(fā)；f)、將步驟e)中得到的內(nèi)芯或模具浸入蒸餾水中，溶除內(nèi)芯以及致孔劑；將支架從蒸餾水中取出后，采用自然晾干、真空干燥或者冷凍干燥的方法揮發(fā)掉支架中的水分，即制得管網(wǎng)狀支架或具有特定內(nèi)流道的組織工程用支架。
2.按照權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟b)中所述的無生物毒性、可溶于水的熱塑性材料采用單糖、雙糖、水溶性多糖或者其混合物。
3.按照權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟c)中所述的可溶于揮發(fā)性有機溶劑的生物相容性高分子材料采用聚乳酸及其聚合物、聚乙交酯、聚乳酸-聚乙交酯共聚物、聚己內(nèi)酯、聚β-羥基丁酸酯、聚β-羥基丁酸酯-聚羥基戊酸酯共聚物、聚己內(nèi)酯-聚乙二醇多嵌段共聚物或者聚氨酯；所述的不溶于中性水溶液的天然生物相容性材料采用膠原。所述的可揮發(fā)有機溶劑采用鹵代烴、乙酸乙酯、一四二氧六環(huán)、二氧雜環(huán)乙烷、四氫呋喃、三氯甲烷或二氯甲烷中的一種或者其中幾種的混合體系。
4.按照權(quán)利要求1、2或3所述的制備方法，其特征在于可在步驟c)中所配制的溶液中添加TCP或HA的粉末。
5.按照權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟b)中所述支架內(nèi)芯或模具的直接成形方法，采用熔融擠壓成形工藝、激光選區(qū)燒結(jié)或三維打印成形；所述的間接成形技術(shù)過程如下首先采用以快速成形技術(shù)制作的原型零件為基礎(chǔ)，翻制硅膠模，然后利用硅膠模具制造內(nèi)芯或模具；或直接使用快速原型技術(shù)制作母模，然后使用母模制作內(nèi)芯或模具。
全文摘要
一種基于溶芯技術(shù)的組織工程復雜管網(wǎng)狀支架成形方法，屬于組織工程支架制造技術(shù)領(lǐng)域。該方法首先設(shè)計支架和支架內(nèi)芯的三維CAD模型；用水溶性、無生物毒性的材料，采用快速成形技術(shù)的分層制造方法，制造出支架的內(nèi)芯；將生物相容性材料配置成溶液，加入適當比例的制孔劑，并將其涂覆在支架內(nèi)芯上；待其風干后，浸入蒸餾水中，溶除支架內(nèi)芯以及致孔劑，取出后揮發(fā)掉支架中的水分。可依次涂覆不同的成形材料或含不同比例致孔劑的成形材料，可得到具有復雜空間管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、材料梯度以及孔隙梯度的內(nèi)部貫通的管網(wǎng)支架。
文檔編號A61F2/00GK1654028SQ200510011228
公開日2005年8月17日 申請日期2005年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月21日
發(fā)明者林峰, 顏永年, 張磊, 盧清萍, 王小紅, 熊卓, 吳任東, 張人佶, 向虎, 陶梅 申請人:清華大學