[发明专利]一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统与方法

说明书

本发明公开一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统与方法。该系统包括基于光学相干层析扫描的三维生物打印水凝胶支架定量可视化装置和生物三维打印设备，可视化装置包括光源、低相干干涉模块、样品扫描模块、干涉信号探测模块、计算机。该方法采用OCT技术实现三维生物打印水凝胶支架的定量结构表征，并基于定量结构表征结果反馈支架设计和打印，通过迭代降低设计与打印的差异性，来提高支架三维制造的稳定性和可控性。本发明系统同时满足三维生物打印水凝胶优化控制对高分辨和大范围三维快速扫描的要求，基于OCT技术实现对支架整体的无损非侵入快速成像，通过基于自动选择目标区域的算法定量分析支架整体和空间局域化形态特征信息。

技术领域

本发明属于生物医学工程技术领域，涉及一种三维打印水凝胶支架的优化控制系统与方法。

背景技术

作为组织工程的重要组成部分，支架为细胞生长提供了必要的空间和环境，其化学组成和物理结构能够影响细胞的活动，如细胞的粘附、迁移、增殖和分化等。水凝胶具有良好的生物相容性、可降解性、亲水性以及包裹细胞的强大能力，这使得水凝胶被广泛应用于构建组织工程支架。另一方面，在一些特殊应用场合，如功能性组织器官制造，对支架的多孔形态提出特别严格的限制，支架的内部结构需要特殊定制以获得期望的几何、机械及液体传输特性，而这些特性对支架局部或整体变化(如特征尺寸和形状，体积比等)高度敏感，因而支架的制备需要一种精确制造技术，可以提高支架参数的可控性和可重复性。

三维生物打印(three-dimensional Bio-printing,3D Bio-printing)技术可以无毒且方便地按照预先设计几何结构制备出完全连通的三维结构，已成为制造可以细胞接种或细胞封装的生物支架的良好工具。水凝胶和3D Bio-printing技术的结合为开发可细胞接种/封装的组织工程支架提供了一种设计关联的可控解决方案。3D FD和3D bio-plotting技术均属于生物三维打印技术，曾成功用于制造具有可复制形态特性的多孔水凝胶结构。如Wang XH等人基于3D纤维沉积(fibre deposition,FD)的3D Bio-printing技术成功的制造出可控孔形和孔尺寸分布的多孔水凝胶/肝细胞复合结构，且打印结构具有良好可复制性。然而，水凝胶特有的溶胀特性及其组成成分不同，引起打印后的结构形态参数与设计值出现明显差异。如刘丰等人发现明胶/海藻酸钠复合材料在成形过程中会有流涎、过度堆积和孔的融合等现象。此外，Shim JH等人基于3D生物绘制(bio-plotting)技术制备水凝胶支架，发现单一成分水凝胶打印出的支架机械性能较差，会出现支架支撑的局部断裂。上述研究证实了打印出的结构与设计的结构在形态参数上存在显著差异，这些差异严重影响了水凝胶支架的实际应用，因此研究如何制造出与预期形态参数尽量匹配的定制结构具有重要意义。

本发明的目的是提出一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统和方法，该系统可实现三维生物打印水凝胶支架的定量结构表征，并基于定量结构表征结果反馈支架设计和打印，通过迭代降低设计与打印支架间的差异性，包括形态和机械特性差异，来提高水凝胶支架三维制造的稳定性和可控性。为此，提出一种包括设计、打印、全面形态定量表征的两次闭环反馈控制方法，第一次闭环称之为“实验”组，用来评价水凝胶三维打印过程的内在可控性。“实验”组完成后，设计与打印的形态差异作为第二次闭环(即“生产”组)的输入，并反馈控制“生产”组的设计与打印，以获得预期的结构制造。该方法的关键在于定量表征三维打印的水凝胶结构参数，包括支架孔径、支撑直径、孔隙率、连通性、通道直径、通道长度及方向等参数。

现有多孔支架的结构表征方法主要有液体置换法、扫描电镜法以及基于三维成像的分析评价方法。液体置换法是将支架完全浸没液体中，基于浸没时物体和置换液体的体积相等原理来评估支架的孔隙率，但是这种方法很难找到合适的溶剂来置换而不影响生物材料，且这种方法会使支架结构因为压力而形变，同时也不能检测支架孔径、孔连通性。扫描电镜法可以直观定性地评估支架的孔贯通性，也可获得截面的表面积。但是为了监测支架的内部结构，需要进行物理切片，这样则会对支架造成不必要的损伤，对测量结果也造成影响。