[发明专利]一种多功能生物打印系统及基于生物打印系统制备组织工程器官的方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学工程和医疗技术领域，特别涉及一种多喷头、多材料的生物打印系统及基于生物打印系统制备组织工程器官的方法。 

背景技术

由各种事故、创伤或疾病造成的人体器官缺损会导致功能障碍，传统的修复方法是采用异体器官移植术，虽然这种方法可以取得满意疗效，但是供体器官来源极为有限，另外，因免疫排斥反应需长期使用免疫抑制剂，所以可能会导致很多并发症及附加损伤。自80 年代科学家首次提出“组织工程学”概念以后，组织工程技术已经为众多的组织缺损、器官功能衰竭病人的治疗带来了曙光，组织工程中的三要素主要包括种子细胞、支架材料以及细胞生长的微环境，而其中支架材料是用于支撑细胞成长为一个完整的组织的框架材料，因此成为组织工程研究及其临床应用的关键之一。用于器官打印的组织工程支架材料应具有以下特点：良好的生物组织相容性，不引起机体的免疫排斥反应，无毒性；具有生物可降解性及降解可调节性，可塑性和一定的机械强度；有一定孔隙率，良好的表面活性，维持生长其上的细胞形态和表型；并能增进细胞的黏附和增殖，诱导组织再生。目前，组织工程生物支架材料主要分两大类：天然生物材料( 如脱细胞细胞外基质，多糖，丝素蛋白及胶原等) 和人工合成的可降解材料( 如聚羟基乙酸及其复合物、聚乳酸、聚乳酸和聚羟基乙酸共聚物等)。天然生物材料突出的优点在于：生物相容性好，与细胞外基质结构相似，利于细胞的黏附、增殖和分化，毒性小，易降解，降解产物被人体吸收后不产生炎症，所以在组织工程中作为细胞培养的支架材料具有人工合成材料所不可比拟的优势。鉴于上述原因，采用天然生物材料制备适用于人体神经再生的组织工程支架已经成为人们研究的热点，但大多数文献中报导的支架成型方法（如粒子致孔法、静电纺丝法、冻干法等）往往存在着制备时间长，有机溶剂残留以及力学性能差等问题，在一定程度上限制了其应用 

近年来，三维打印技术在制备组织工程用天然生物材料支架方面得到了快速发展和应用。三维打印技术最早是由美国麻省理工学院Emanual Sachs 等人于1989 年开发的，是一项基于喷射型的快速成型技术，它首先借助计算机辅助设计（CAD）技术制备所打印物体的STL 电子文档模型，然后依据“逐层打印，层层叠加”的原理来打印具有特殊外形或复杂内部结构的物体。其成型过程不受任何几何形状的限制，打印位置、打印次数和打印速度都可以随意控制，不同的材料可以通过不同喷头打印，打印的物质可以是溶液、悬浮液或乳液，因此，三维打印可以很容易控制局部材料组成、微观结构以及表面特性。另外该技术具有操作方便、加工过程灵活、成型速度快、运行费用低且可靠性高的特点，现在已成为快速成型技术领域最有生命力的新技术之一。文献Porous Ti6Al4V scaffold directly fabricating by rapid prototyping（Jia Ping Li.Biomaterials 2006, 27 1223–1235）公开了将Ti6Al4V 粉末溶解于有机溶剂中制备获得Ti6Al4V 胶状物，然后将该胶状物放入打印机“墨盒”中，按照三维打印机中的CAD 模型，成功打印出了纤维状的Ti6Al4V（容易干燥成型），并制备了具有多孔结构的矩形块状体，最后进一步对该多孔块状体进行烧结成型，并证实了该打印的多孔状Ti6Al4V 块状体具有促进骨细胞粘附和生长的功能，在组织工程领域具潜在应用价值。文献3D Fiber-Deposited Electrospun IntegratedScaffolds Enhance Cartilage Tissue Formation（Lorenzo Moroni. Adv. Funct.Mater. 2008, 18, 53–60）公开了联合应用三维打印技术和熔融静电纺丝法则成功制备出了PEOT/PBT 聚合物的多孔状结构, 该多孔状聚合物结构同样具有较好的促进细胞生长的作用。此外，文献Incorporation of growth factor containing Matrigel promotesvascularization of porous PLGA scaffolds（M. W. Laschke, J Biomed Mater Res85A:397–407, 2008）报导了将熔融的PLGA 用三维打印机打印成多孔网状结构，并负载生长因子用于血管再生，发现负载生长因子的多孔PLGA 网状支架能较快的促进组织工程化血管的构建