一種個性化含鑲嵌結構的3D打印骨組織工程支架制造技術

一種個性化含鑲嵌結構的3D打印骨組織工程支架，其特征在于：通過三維建模重建出頜骨大面積骨缺損的形態與結構，該支架包括兩部分，一部分是恢復顱頜面骨缺損形態與結構的外部輪廓支架，另一部分是用于促進血管形成的內部管狀支架。通過在外部支架上接種間充質干細胞(MSCs)和/或負載骨形成蛋白(BMP)等促進成骨的因子，在內部支架上接種內皮細胞(ECs)和/或負載血管內皮細胞生長因子(VEGF)等促進成血管的因子，從而形成了一個外部維持形態與結構，內部促進血管形成的骨組織工程支架，從而有助于干細胞的增殖、成骨向分化和組織工程復合物的血管形成，進而提高骨再生的質量和速度。

A 3D printed bone tissue engineering scaffold with mosaic structure

A 3D printing personalized bone tissue engineering scaffold containing embedded structure, which is characterized in that: the morphology and structure of jaw bone defect reconstruction of large area 3D modeling, the frame includes two parts, one part is the external contour support recovery craniomaxilla defect shape and structure, the other part is used to promote internal tubular scaffold the formation of blood vessels. In the external stent by inoculation of mesenchymal stem cells (MSCs) and / or the load of bone morphogenetic protein (BMP) to promote osteogenic factor, inside scaffolds seeded with endothelial cells (ECs) and / or the load of vascular endothelial growth factor (VEGF) to promote angiogenesis factor, so as to form an external form and maintain internal structure, promote bone tissue engineering scaffold angiogenesis, which contributes to stem cell proliferation, differentiation and tissue engineered blood vessel formation of bone, and to improve the quality and speed of bone regeneration.

【技術實現步驟摘要】
一種個性化含鑲嵌結構的3D打印骨組織工程支架
本專利技術涉及一種個性化含鑲嵌結構的3D打印骨組織工程支架，具體涉及一種治療大面積顱頜面骨缺損修復支架的制作方法及其應用。
技術介紹
由于外傷、腫瘤等導致的顱頜面部大面積骨缺損，直接影響患者的面部外觀以及咀嚼、語音等口腔功能，不僅嚴重損害患者的身心健康，同時也給社會經濟帶來巨大負擔。傳統的骨移植方法包括自體骨移植、異體骨或異種骨移植、人工骨替代材料。自體骨移植是骨缺損修復的金標準，一般采用患者自身的髂骨，雖然其免疫反應低，然而其對供骨區造成新的創傷、有潛在的感染等問題，并且難以塑形，此外，大塊的骨移植物中央多因缺血而成為死骨。異體骨或異種骨移植存在新骨替代緩慢，生物力學性能差的問題，異體骨還存在傳播疾病的潛在可能。人工骨替代材料具有骨傳導性、但很少能具有骨誘導性。骨組織工程技術被認為是本世紀前沿、最有希望為廣大骨缺損患者帶來福音的骨再生技術。其中，支架材料是骨組織工程的核心問題和難點所在。傳統的多孔支架制作技術有熔融成型法、顆粒濾除法、冷凍干燥技術、靜電紡絲法、相分離法等。以上方法制備的支架雖能滿足細胞生長的基本要求，但是材料孔徑不可控、支架孔隙貫通程度不夠，既影響支架的性能，也不利于細胞的增殖分化和組織的血管化。同時，顱頜面部的骨骼多為扁骨或不規則骨，形態和結構復雜，常規的加工方式所形成的支架不能滿足顱頜面骨缺損修復的需要。3D打印技術通過掃描缺損部位，獲得數字化模型，并建立其三維模型進行打印，對骨缺損部位進行個性化重建。同時還可以很大程度上控制支架的孔徑、孔隙率、連通程度以及比表面積，減少了因自體骨移植對患者身體造成的損傷，同時降低了異體骨移植高昂的費用。然而，支架材料與種子細胞的復合物植入體內后，如何保證種子細胞的持續增殖與分化并形成新的組織，仍然是骨組織工程面臨的挑戰之一，組織工程器官的血管化是組織工程化組織成功的重要環節。體外培養時，細胞的營養物質和氧氣的運輸主要靠滲透作用和擴散作用，復合物植入體內后，依靠血液、細胞間液來進行營養和氧氣的運輸，遠離毛細血管150-200μm以上的細胞可能因為缺乏營養物質和氧氣而不能存活。目前，限制組織工程發展的難題是植入物缺乏足夠的血液供應，進而導致細胞營養障礙。為了提高復合物在體內的生存率，工程化組織必須具備血管化的能力，為種子細胞的功能活動提供充足的營養和氧氣。然而，目前3D打印的組織工程支架，大部分是結構簡單，孔徑固定、單一，孔道聯通模式簡單，而這與人體骨小梁的結構不相符，不利于骨再生和骨組織的血管化。
技術實現思路
鑒于上述現有技術的不足，本專利技術的目的是提供一種個性化含鑲嵌結構的3D打印顱頜面骨組織工程支架的制作方法及應用，旨在解決現有技術所制作的骨組織工程支架大部分是結構簡單，孔徑固定、單一，孔道聯通模式簡單，不利于骨再生與骨組織血管化的問題。為了解決上述技術問題，本申請采用如下技術方案予以實現：一種個性化含鑲嵌結構的3D打印骨組織工程支架，其特征在于：通過三維建模重建出頜骨大面積骨缺損的形態與結構，該支架包括兩部分，一部分是恢復顱頜面骨缺損形態與結構的外部輪廓支架，另一部分是用于促進血管形成的內部管狀支架。通過在外部支架上接種間充質干細胞(MSCs)和/或負載骨形成蛋白(BMP)等促進成骨的因子，在內部支架上接種內皮細胞(ECs)和/或負載血管內皮細胞生長因子(VEGF)等促進成血管的因子，從而形成了一個外部維持形態與結構，內部促進血管形成的骨組織工程支架，從而有助于干細胞的增殖、成骨向分化和組織工程復合物的血管形成，進而提高骨再生的質量和速度。具體的過程包括如下步驟：(1)根據CT影像技術，重建出頜骨缺損的大小及形狀；(2)利用計算機輔助設計軟Geomagic2012進行外部輪廓支架的孔徑與孔隙設計、內部管狀支架的直徑、孔徑與孔隙設計。外部輪廓支架的孔徑為200μm，內部管狀支架的內徑為2mm，外徑為2.5mm，壁厚為0.5mm，孔徑為10μm；(3)將設計好的三維結構模型數據以STL格式導入3D打印控制軟件；(4)外部輪廓支架所采用的打印材料為聚乳酸、羥基磷灰石粉(直徑2-10μm)，按照質量比6∶4混合，內部管狀支架所采用的打印材料為聚乳酸；(5)成型后用無水乙醇和0.5％NaOH溶液分別浸泡24h，去離子水浸泡30min，環氧乙烷滅菌；(6)在外部輪廓支架上接種間充質干細胞(MSCs)和/或負載骨形成蛋白(BMP)，其中，間充質干細胞直接滴加在支架上，骨形成蛋白通過浸泡負載在支架上，先將支架浸泡在骨形成蛋白溶液中，然后將其凍干。如果同時使用干細胞和骨形成蛋白，先對支架負載骨形成蛋白，然后接種干細胞。在內部管狀支架上接種內皮細胞(ECs)和/或負載血管內皮細胞生長因子(VEGF)，其中，內皮細胞直接滴加在支架上，血管內皮細胞生長因子通過浸泡負載在支架上，先將支架浸泡在血管內皮細胞生長因子溶液中，然后將其凍干。如果同時使用內皮細胞和血管內皮細胞生長因子，先對支架負載血管內皮細胞生長因子，然后接種內皮細胞。本專利技術制作的支架與現有支架相比，具有以下優點：本專利技術通過三維打印的方法制作組織工程支架，能夠滿足不同患者的顱頜面骨個性化修復需求，制作出與患者顱頜面骨缺損部位相吻合的個性化支架，并可以實現對支架內部微觀結構(如孔隙率、孔尺寸、孔分布等)的精準控制。本專利技術考慮了骨再生過程中血管化的重要作用，進行了鑲嵌結構的內部管狀結構設計，有助于實現快速的骨再生和骨組織的血管化。附圖說明為了更清楚地說明本專利技術實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本專利技術的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1.鑲嵌結構示意圖具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術進行進一步說明。一種鑲嵌結構的3D打印頜骨組織工程支架，該支架包括兩部分，一部分是恢復顱頜面骨缺損形態與結構的外部輪廓支架，另一部分是用于促進血管形成的內部管狀支架。在外部支架上接種間充質干細胞(MSCs)和/或負載骨形成蛋白(BMP)，在內部支架上接種內皮細胞(ECs)和/或負載血管內皮細胞生長因子(VEGF)。以下頜骨大面積缺損為例，一種個性化鑲嵌結構的3D打印骨組織工程支架的實施包括以下步驟：(1)首先針對患者的顱頜面骨缺損，基于CT影像技術進行三維重建，模擬出下頜骨缺損的大小和形狀；(2)根據重建的下頜骨大小與形狀，利用計算機輔助設計軟件Geomagic2012進行外部輪廓支架的孔徑與孔隙設計、內部管狀支架的直徑、孔徑與孔隙設計；(3)外部輪廓支架的孔徑為梯度，由外向內的孔徑逐漸縮小，其中，外部輪廓支架的孔徑為200μm，內部管狀支架的內徑為2mm，外徑為2.5mm，壁厚為0.5mm，孔徑為10μm；(4)將設計好的三維結構模型數據以STL格式導入3D打印控制軟件；(5)外部輪廓支架所采用的打印材料為聚乳酸、羥基磷灰石粉(直徑2-10μm)，按照質量比6∶4混合，內部管狀支架所采用的打印材料為聚乳酸。逐層熔融迭加最終分別得到支架的外部輪廓和內部管道。成型后用無水乙醇和0.5％NaOH溶液分別浸泡24h，去離子本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種個性化含鑲嵌結構的3D打印骨組織工程支架，其特征在于：該支架包括兩部分，一部分是恢復顱頜面骨缺損形態與結構的外部輪廓支架，另一部分是用于促進血管形成的內部管狀支架。

【技術特征摘要】
1.一種個性化含鑲嵌結構的3D打印骨組織工程支架，其特征在于：該支架包括兩部分，一部分是恢復顱頜面骨缺損形態與結構的外部輪廓支架，另一部分是用于促進血管形成的內部管狀支架。2.如權利要求1所述的含鑲嵌結構的3D打印骨組織工程支架，其特征在于：通過三維建模重建出頜骨大面積骨缺損的形態與結構，該支架包括兩部分，一部分是恢復顱頜面骨缺損形態與結構的外部輪廓支架，另一部分是用于促進血管形成的內部管狀支架，通過在外部支架上接種間充質干細胞(MSCs)和/或負載骨形成蛋白(BMP)促進成骨的因子，在內部支架上接種內皮細胞(ECs)和/或負載血管內皮細胞生長因子(VEGF)等促進成血管的因子，從而形成了一個外部維持形態與結構，內部促進血管形成的骨組織工程支架，從而有助于干細胞的增殖、成骨向分化和組織工程復合物的血管形成，進而提高骨再生的質量和速度。3.如權利要求1或2所述的含鑲嵌結構的3D打印骨組織工程支架，其特征在于：其外部輪廓支架的孔徑為200μm，內部管狀支架的內徑為2mm，外徑為2.5mm，壁厚為0.5mm，孔徑為10μm。4.如權利要求1或2所述的含鑲嵌結構的3D打印骨組織工程支架，其特征在于：其外部輪廓支架所采用的打印材料為聚乳酸、羥基磷灰石粉，按照質量比6∶4混合，內部管狀支架所采用的打印材料為聚乳酸。5.如權利要求4所述的含鑲嵌...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉云松，孫玉春，周永勝，夏丹丹，王思儀，李榕，
申請(專利權)人：北京大學口腔醫學院，
類型：發明
國別省市：北京,11