[发明专利]基于活细胞3D打印的软骨-骨-骨髓复合组织结构及方法

说明书

本发明公开了一种基于活细胞3D打印的软骨‑骨‑骨髓复合组织结构及方法，采集骨组织的生物信息，输入计算机进行仿生建模，配制适用软骨、成骨、间充质干、血管内皮等细胞的生物墨水；配制打印密致骨区域的硬材料硬材料；配制各种铸型剂；将活细胞按一定的密度接种于相应的生物墨水中；将各种类型的打印墨水分别加载于打印机料仓，设置打印参数后进行3D打印，打印成型的骨组织在组织工程仿生培养器中进行培养，一定时间后运用温控或酶控或光控的方法，于不同的时间祛除铸型剂材料，在软骨‑骨‑骨髓复合组织外部接枝人工血管，在组织工程仿生培养器内连续循环灌注培养，实现打印组织的预成熟。其实现3D打印骨组织的长期存活和生物功能。

技术领域

本发明属于生物医学工程，特别涉及一种基于活细胞3D打印的软骨-骨-骨髓复合组织结构及方法。

背景技术

由于战创伤和病损造成骨缺损发病率较高, 因此在临床上需要大量的骨移植假体,骨组织的移植在所有组织器官的移植量中高居第二。目前，骨移植假体多是由金属、高分子聚合物构成，仅只在形态、外观上模拟缺损的骨骼，但并没有生物活性，常导致了移植后生理功能的严重缺陷。近年来，3D打印技术的快速发展为解决上述问题提供了可能性。生物3D打印是一种具有良好应用前景的工程化人体组织构建方法，从理论上可以实现组织结构、生物活性的高度仿生。随着生物3D打印技术的快速发展以及人们对精准医疗要求的不断提高，生物3D打印以其独有的个性化特点，越来越受到人们的广泛关注。我国目前已将3D打印技术列入技术发展的重点。

骨关节的移植是骨移植的重点和难点，这是因为骨关节是人体的复杂运动的基础，是运动功能重建的关键；而骨关节所在的骨端是由软骨、骨、骨髓组成的复杂骨组织结构，移植修复的难度大。目前，在临床上应用的骨关节移植物均为人工假体，在体内没有生物学活性，具有生物功能低下、易于损耗的特点，难以满足组织修复的要求；而现有的组织工程技术仅可构建单一组织，无法解决骨关节的复杂、严重创伤的修复问题。运用生物3D打印技术有望克服上述的难题，运用高仿生建模，实现多组织成分的复杂骨关节结构组织工程器官构建，实现骨关节的结构、功能仿生，最终实现骨关节复杂结构的再生修复。但是由于现有3D打印技术所构建组织由于缺乏血管网，难以保证大体积组织内部的营养供应，深部组织在长期培养后生物活性较低；同时，现有的生物墨水力学性能差，在大体积组织3D打印时，难以实现打印组织的机械稳定性，无法实现骨关节的生物3D打印。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于活细胞3D打印软骨-骨-骨髓复合组织的方法，通过3D打印软骨-骨-骨髓复合组织的结构成型和预血管化，以实现 3D打印骨组织的长期存活和生物功能。

本发明的另一目的是针对现有技术存在的不足，提供一种结合运用硬、软的天然高分子材料，同时利用不同材料理化性能和固化机制及时间的差异，建立多材料复合成型的错层打印工艺，解决复杂结构成型过程中材料相互干扰的问题， 并结合高仿生结构建模和多自由度机械臂路径规划，实现软骨-骨-骨髓复杂结构的 3D 打印仿生成型。

本发明的目的是这样实现的：一种基于生物3D打印制备软骨-骨-骨髓复合组织的方法，包括如下步骤：

1）建模：

采集需要打印的软骨-骨-骨髓复合组织的生物信息，输入计算机进行仿生建模，建立的几何模型包括软骨区域、密致骨区域、松质骨区域、松质骨中间的营养孔隙区域、血管壁区域、血管腔区域、组织外辅助塑性区域；

2）配料：

准备构建软骨-骨-骨髓复合组织所需的各种细胞，配制适用构建软骨-骨-骨髓复合组织所需的各种细胞的液态可固化水凝胶材料载体，将构建软骨-骨-骨髓复合组织所需的各种细胞按设定的密度分别接种于相应的液态可固化水凝胶材料载体中，配制含细胞的各种生物墨水，同时，配制用于打印软骨-骨-骨髓复合组织的密致骨区域的硬材料，以及配制用于打印组织外辅助塑性区域的第一铸型剂，配制用于打印松质骨中间的营养孔隙区域的第二铸型剂，配制用于打印血管腔区域的第三铸型剂。