一种3D打印仿生半月板支架及其制备方法与流程

本发明涉及医疗假体，具体地说是涉及一种3d打印仿生半月板支架及其制备方法

背景技术：

1、半月板损伤是膝关节常见的软骨疾病，平均每年的发生率为0.66％，以青少年多见。半月板有许多重要的生物力学功能，包括传递负荷，吸收震荡，稳定关节及润滑营养关节软骨等。鉴于半月板的重要功能，在其损伤后的治疗中应尽量予以保留和修复。可是，由于半月板血供和愈合能力较差等因素，目前多数患者不得不采用切除(或大部分切除)半月板的方法治疗，手术后虽可缓解部分临床症状，但是，半月板缺损(或大部分缺损)会导致严重的膝关节力学状态异常，出现关节软骨损伤和功能障碍等不良后果。针对上述问题，国外开始进行同种异体半月板移植技术的研究，并逐渐受到关注，目前被认为是解决半月板切除难题的主要方法。但是，同种异体半月板移植技术存在供体来源少、有疾病传播风险等问题，因此受到极大制约，难以普遍开展。

2、针对上述技术难题，组织工程技术为半月板损伤再生修复带来了希望。组织工程技术的三大要素-种子细胞、诱导因子和支架，分别发挥“种子”、“化肥”和“土壤”的作用。其中，支架作为细胞外基质的临时替代物，为工程化组织提供三维几何结构，并为细胞的粘附、增殖、分化及最终形成新的组织提供框架和代谢场所，是组织工程成功与否的关键因素。

3、现有技术存在的3d仿生半月板结构，如专利申请号为：202121399365.8，发明名称为：一种3d打印菱形变孔径pcl半月板组织工程支架，其虽然也涉及一种半月板支架，但其单一结构，无法真正意义上模拟半月板的形态和结构以及内部纤维走向，且单层菱形变孔径的设计，易形成井型桶状结构，在组织工程技术中不利于细胞的攀爬和生长；且各个方向纤维密度不同，利于环向张力的传导。

4、因此，如何提供一种生物力学性能优良，更利于细胞生长的3d打印仿生半月板支架及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种3d打印仿生半月板支架及其制备方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种3d打印仿生半月板支架，所述半月板支架由一组或者多组由下至上层层堆叠的纤维框架结构组成；所述每组纤维框架结构为：一层环形纤维层和两层旋转方格状纤维层由下至上层层堆叠而成。

4、上述操作的有益效果为：一层环形纤维层和两层旋转方格状纤维层交替打印，可以有效避免形成井型桶状结构带来的不利影响，有利于细胞向各个方向的生长。

5、优选地，环形纤维层和旋转方格状纤维层均由熔融聚己内酯材料模拟半月板纤维打印而成；打印的纤维丝径均为150um。

6、优选地，所述环形纤维层由均分的三个纤维区组成，分别为内环聚己内酯纤维区、中环聚己内酯纤维区和外环聚己内酯纤维区，且三个纤维区从内到外纤维密度依次增大。

7、上述操作的有益效果为：环形纤维层，由内而外，密度逐渐增大，在半月板的外缘部分，随着环形纤维密度的增加，吸收和传导环形张力的能力得到加强，也利用轴向应力的分散。

8、优选地，所述内环聚己内酯纤维区的纤维间距为285-315um，中环聚己内酯纤维区的纤维间距为190-210um，外环聚己内酯纤维区的纤维间距为142.5-157.5um。

9、进一步优选地，所述内环聚己内酯纤维区的纤维间距为300um，中环聚己内酯纤维区的纤维间距为200um，外环聚己内酯纤维区的纤维间距为150um。

10、优选地，所述旋转方格状纤维层由聚己内酯材料模拟半月板纤维纵横交错打印，经45-60°旋转组成；

11、上述操作的有益效果为：旋转方格状纤维层，经旋转后呈现由中心到边缘近似放射状的分布，兼具网状交织形态，且各个方向纤维密度相同，利于环向张力的传导。

12、所述旋转方格状纤维层的孔径为100-300um。

13、进一步优选地，所述旋转方格状纤维层由聚己内酯材料模拟半月板纤维纵横交错打印，经45°旋转组成；

14、所述旋转方格状纤维层的孔径为250um。

15、优选地，所述半月板的内径为6mm，外径为9mm，内外缘间距3mm；厚度为2mm。

16、本发明的另一目的是提供上述3d打印仿生半月板支架的制备方法，包括如下步骤：

17、(1)利用micro-mri对膝关节半月板进行扫描，获得扫描数据；

18、(2)将扫描数据导入mimics医学影像控制系统软件，对内、外侧半月板进行模型重建；

19、(3)将重建模型导入slic3r切片软件，对半月板内部结构进行仿生设计，确定了上述结构的半月板支架，并导出3d生物打印机可识别的g代码；

20、(4)将重建后的半月板模型等比例放大并简化建模，采用生物打印机，按照步骤(3)确定的半月板支架的结构，打印半月板支架。

21、上述操作的有益效果为：通过对膝盖半月板的数字仿真建模，及3d生物打印技术，构建组织工程半月板支架，模拟了天然半月板支架的内部结构特性，更贴近天然的仿生结构，比现有技术存在的半月板支架具有更优异的生物力学性能、生物相容性和促进细胞分泌外基质的能力。

22、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

23、(1)本发明构建的3d打印仿生半月板支架，有效模拟的天然半月板支架的内部结构特性，构建了环形纤维层和两层旋转方格状纤维层由下至上层层堆叠的内部结构，使得吸收和传导环形张力的能力得到加强，同时也利于轴向应力的分散，使本发明的半月板支架具有良好的力学性能；同时环形纤维层和旋转方格状纤维层交替堆叠的内部结构也可以有效避免形成井型桶状结构带来的不利影响，有利于细胞向各个方向的生长；

24、(2)将复合纤维蛋白凝胶与pcl材料制备本发明的3d打印仿生半月板支架，使得半月板支架融合了两种材料的优点，具有良好的细胞相容性，以及促进细胞分泌细胞外基质的能力，可很好的刺激周围组织再生，并随着新生组织的长入而逐渐降解；又提供了半月板支架所需的生物力学强度，又在细胞生长的空间结构以及营养物质方面为细胞提供了适宜的微环境，促进了半月板的修复再生。

技术特征：

1.一种3d打印仿生半月板支架，其特征在于，所述半月板支架由一组或者多组由下至上层层堆叠的纤维框架结构组成；所述每组纤维框架结构为：一层环形纤维层和两层旋转方格状纤维层由下至上层层堆叠而成。

2.根据权利要求1所述的一种3d打印仿生半月板支架，其特征在于，环形纤维层和旋转方格状纤维层均由熔融聚己内酯材料模拟半月板纤维打印而成；打印的纤维丝径均为150um。

3.根据权利要求1所述的一种3d打印仿生半月板支架，其特征在于，所述环形纤维层由均分的三个纤维区组成，分别为内环聚己内酯纤维区、中环聚己内酯纤维区和外环聚己内酯纤维区，且三个纤维区从内到外纤维密度依次增大。

4.根据权利要求3所述的一种3d打印仿生半月板支架，其特征在于，所述内环聚己内酯纤维区的纤维间距为285-315um，中环聚己内酯纤维区的纤维间距为190-210um，外环聚己内酯纤维区的纤维间距为142.5-157.5um。

5.根据权利要求4任一所述的一种3d打印仿生半月板支架，其特征在于，所述内环聚己内酯纤维区的纤维间距为300um，中环聚己内酯纤维区的纤维间距为200um，外环聚己内酯纤维区的纤维间距为150um。

6.根据权利要求2所述的一种3d打印仿生半月板支架，其特征在于，所述旋转方格状纤维层由聚己内酯材料模拟半月板纤维纵横交错打印，经45-60°旋转组成；

7.根据权利要求6所述的一种3d打印仿生半月板支架，其特征在于，所述旋转方格状纤维层由聚己内酯材料模拟半月板纤维纵横交错打印，经45°旋转组成；

8.根据权利要求1所述的一种3d打印仿生半月板支架，其特征在于，所述半月板的内径为6mm，外径为9mm，内外缘间距3mm；厚度为2mm。

9.根据权利要求1-8任一所述的3d打印仿生半月板支架，其特征在于，所述支架的纤维之间还含有复合纤维蛋白凝胶；

10.一种如权利要求1-9任一所述的3d打印仿生半月板支架的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种3D打印仿生半月板支架及其制备方法。属于医疗假体技术领域。本发明制备的半月板支架由一层环形纤维层和两层旋转方格状纤维层由下至上层层堆叠而成，具有良好的力学性能，且在生物组织工程技术中可有效避免形成井型桶状结构带来的不利影响，有利于细胞向各个方向的生长，为细胞的粘附、增殖、分化及最终形成新的组织提供框架和代谢场所。本发明还提供了上述半月板的制备方法，通过3D打印技术，有效模拟了半月板的内部胶原纤维结构，具有更优异的生物力学性能、生物相容性和促进细胞分泌外基质的能力。

技术研发人员：章亚东,陈宏广,马贺宾,赵彦涛,郝丽芳,衷鸿宾
受保护的技术使用者：中国人民解放军总医院第四医学中心
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13