[发明专利]一种韧性组织结构及其3D打印成形设备和方法

说明书

技术领域

本发明属于组织工程、复合材料及医疗器械领域，涉及一种韧性组织结构及其3D打印成形设备和方法。

背景技术

目前，韧性组织（跟腱、筋膜、韧带、尿道和妇科盆底支撑系统等）的损伤治疗和修复主要依靠仿生材料替代、自体移植或异体移植，但这些方法采用的替代物的生物相容性不高，损伤恢复较慢，甚至面临免疫排斥和病毒传染问题，并且成年人的治疗和修复比幼年更加困难。再生医学和组织工程为人类结缔组织的修复和再造提供了可能，其中涉及到生物学、材料学、机械学等学科。

韧性组织，如结缔组织(connective tissue)，是人和高等动物的基本组织之一，起支持、连接、营养、保护等多种功能。结缔组织分为疏松结缔组织（如皮下组织）、致密结缔组织（如腱和韧带）、脂肪组织和网状组织。结缔组织由细胞、纤维和细胞外基质组成；细胞主要有巨噬细胞、成纤维细胞、浆细胞和肥大细胞；纤维包括胶原纤维、弹性纤维和网状纤维。

将3D打印技术与组织工程技术相结合，是目前解决复杂组织器官制造的有效途径。国外许多科研组在该领域有所探索和发展[Boland T,et al.Biotechnology journal,2006,1(9):910；Cooper G,et al.Tissue Engineering Part A,2010,16(5):1749；Fedorovich N,et al.Tissue Engineering Part C,2011,18(1):33]。国内清华大学器官制造中心(Center of Organ Manufacturing)开发出系列3D成形设备，如熔融挤压设备、单（双）喷头（针头）针低温沉积成形设备，并成功制备出了简单的血管网、肝组织和骨修复材料等[Wang X,et al.Trends in Biotechnology,2007,25:505；Wang X,et al.Tissue Engineering Part B,2010,16:189;Wang X.Artificial organs,2012,36:591]。

干细胞能为组织再生提供再生微环境，目前已应用于骨、软骨、肌肉、骨髓基质、肌腱、脂肪和其他结缔组织的修复[Caplan A.Journal of cellular physiology,2007,213(2):341]。结缔组织的纤维可人工制备，如将蚕丝纤维纺织成网格，作为脂肪间充质干细胞的场所，用于妇科盆底支撑系统的结缔组织修复替代物[Li Q,et al.Cell and tissue research,2013,354(2):471]，该方法能观测到细胞与丝素纤维的交互作用，但蚕丝的生物相容性和生物毒性需要进一步验证，同时网格的宏观孔隙过大，纤维间微观孔隙过小，不适宜细胞生长；同时成品轮廓的可重复性低，生产效率有待提高，不适于批量生产。

目前世界上使用最广泛的手术机器人为达芬奇机器人[陈广飞等，机器人技术与应用，2011,4:11]，主要有医生控制台、成像系统和机械臂构成，主要用于实现外科手术的远程操作。但该系统只能实现传统的手术（如切除和缝合），并不能实现对病变部位的实时再生，并未应用增材制造(3D打印)技术；该系统的成像系统仅为普通视频图像信号，并非医学扫描图像信号(如CT和核磁共振成像)。故达芬奇系统在组织器官体内直接再生领域的局限性很大。

通过以上分析，将3D打印技术与组织器官相结合已成为医学和工程学的研究热点。现有的弹性组织的修复方法受到材料性能、生物相容性和修复再生速度的影响，并不能完全恢复损伤组织的功能。本发明3D打印技术应用于临床手术，并将细胞与高分子复合，能实现病变部位的术中实时再生。所成形的结构在形态结构上、免疫生理方面都有良好的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种韧性组织结构及其3D打印成形设备和方法。该发明可将材料学、工程学、医学成像学和干细胞等技术相结合，在临床手术中实现对病人病变组织的再生和直接替换，所得结构在宏观微观形貌上可模拟活体组织，同时在功能和生物相容性上效果突出，该韧性组织结构是修复韧带、跟腱等结缔组织的优良替代物，制备该结构的方法也能为复杂器官制造提供思路。

本发明的技术方案如下：