[发明专利]基于3D打印技术的软骨修复系统及其软骨修复方法

说明书

技术领域

本发明属于软骨修复技术领域，具体涉及一种基于3D打印技术的软骨修复系统及其软骨修复方法。

背景技术

关节软骨缺损临床常见，据统计60％以上膝关节镜手术患者伴有软骨缺损，其中42％为局灶性透明软骨缺损，即缺损的深度不超过钙化软骨层，缺损的面积在2～4cm²之间^[1]。由于透明软骨没有血管、神经和淋巴系统，自然修复能力低下，直径超过4mm的缺损几乎不能完全修复。如果不进行及时治疗，损伤将继续加重并引发关节炎，出现关节疼痛肿胀、畸形。

对于此类软骨缺损，传统治疗策略是术中采用微骨折方法使骨髓血渗出，利用血凝块中的间充质干细胞增殖、修复软骨缺损，但最终形成的是耐磨性较差的纤维软骨。随着组织工程技术的快速发展，自体软骨细胞移植技术逐渐在临床推广应用，但该技术需要对自体软骨细胞进行体外扩增，然后二次手术植入；由于体外培养难以模拟在体微环境，尤其是缺乏机体免疫系统的监控，植入的软骨细胞通常已经发生表型改变，因此最终形成的修复组织无论在结构上还是成分上都与天然软骨存在本质差异，难以确保其治疗的长期有效性。

针对上述问题，在前期对可注射型组织工程软骨研究的基础上，结合国内外最新研究进展，我们提出“应用自体BMSCs复合软骨仿生溶胶基质以三维打印(3DP)方式构建组织工程软骨”新策略，使其具有与缺损相匹配的解剖外形和天然软骨相似的内部空间结构，以期实现修复组织的结构仿生、成分仿生和功能仿生。软骨仿生基质溶胶与天然软骨基质成分相同，具有良好的生物相容性；自体BMSCs具有较强的增殖能力和向软骨细胞分化潜能；3D生物打技术可以实现组织工程软骨具有天然软骨组织结构特征(与缺损相匹配的解剖外形和软骨细胞特有的空间分布规律)；固定在凝胶中的BMSCs在关节腔软骨微环境中理化因素的作用下，增殖、分化成软骨细胞，分泌特异性软骨胞外基质，从而再生形成高质量关节软骨。

因此，有必要研究出一种新的软骨修复系统和软骨修复方法，仅在关节镜微创条件下即可实现对局灶性软骨缺损进行快速精准修复，可大幅度减小创伤、缩短治疗时间，有效减轻患者痛苦和经济压力。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了基于3D打印技术的软骨修复系统及其软骨修复方法，克服了现有技术存在的治疗周期长和安全隐患的问题。

本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：

基于3D打印技术的软骨修复系统，包括3D打印系统和供料系统，

所述3D打印系统包括具有多自由度的打印喷头和喷头移动杆，所述打印喷头与喷头移动杆之间设置有可使打印喷头绕移动杆轴径向360°旋转的径向旋转结构，所述径向旋转结构包括与喷头移动杆垂直的转轴和设置于转轴端部的微型步进电源，所述转轴分别与打印喷头和喷头移动杆连接，其中，与打印喷头为固定连接，与喷头移动杆为可转动连接，所述打印喷头的出口处设置有可对软骨缺损部位进行360°空间扫瞄的3D扫瞄仪和可对打印状态进行实时跟踪的摄像头；

所述供料系统包括提供打印材料的供料管路、与供料连通的盛料盒和管路动力装置，所述供料管路与打印喷头的打印通道连通，所述管路动力装置包括用于挤压供料管路对打印材料产生驱动力的蠕动泵和对打印材料流量进行控制的电磁节流阀，所述打印喷头的打印通道内设置有可将打印材料增压形成喷射状的增压器。

进一步，还包括液压系统，所述液压系统包括与喷头移动杆连接的可实现打印喷头多自由度运动的复合运动执行元件、与复合运动执行元件连通的液压油循环回路，以及为复合运动执行元件提供液压驱动力的液压泵，所述复合运动执行元件包括与喷头移动杆固定连接的可驱动其上下移动的第一液压缸、与第一液压缸可转动连接的第二液压缸、分别与第一液压缸和第二液压缸可转动连接的第三液压缸和与第二液压缸可转动连接的第四液压缸。

进一步，所述第一液压缸活塞的伸出端设置有与活塞同轴的活塞孔，所述活塞孔内设置有使喷头移动杆绕活塞轴向方向作360°转动的轴向旋转机构，所述轴向旋转机构包括设置在活塞和喷头移动杆之间的轴承和设置在喷头移动杆端部进行旋转驱动的微型步进电源。

进一步，所述液压油循环回路包括用于调节液压油流量的电控流量阀、用于贮存液压油的油池，所述油池与蠕动泵连通。

进一步，还包括控制系统，所述控制系统包括信息接收系统、分析处理系统，以及对打印程序或操作指令或打印状态实时监测的显示器，所述信息接收系统与3D扫瞄仪连接，所述分析处理系统与打印喷头、电磁节流阀、电控流量阀、液压油泵及蠕动泵连接。