一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统与方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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、迀移、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。
[0003] 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 bioplotting 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。
[0004] 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（ΒΓ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。
[0005] 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。
[0006]基于三维成像的分析评价方法具有无损非侵入的特点，常用来检测和定量评价组 织工程支架。如应用显微计算层析术(micro-computed tomography，micr〇-CT)对骨组织工 程支架成像。磁共振成像(magmetic resonance imaging,MRI)技术用于检测组织工程支架 移植前的结构和成分，并监测间充质干细胞分化形成组织。超声弹性成像（Ultrasound elastography)可用于描述大块工程组织内的弹性粒子分布。但是，这些成像技术用于水凝 胶支架成像仍然存在问题。水凝胶的高含水量特点导致micro-CT对水凝胶成像时对比度过 低，且X射线的高离子性可能损伤细胞。MRI和超声弹性成像的分辨率有限。此外，共焦显微 术、多光子显微术(Multiphoton microscopy，MPM)等光学成像方法也用于对组织工程支架 成像，其分辨率高，可以达到亚微米级，缺点在于成像深度有限，如共焦显微术对高散射样 品的成像深部近似1〇〇μπι，ΜΡΜ的穿透深度也限制在400~500μπι。因而，需要发展能够高分辨 穿透深度适合的理想成像方法来非接触的分析组织工程支架结构。
[0007] 光学相干层析成像(optical coherence tomography，0CT)技术是能够克服上述 各种技术缺陷最有前景的一种解决方案，因为其能够实时非侵入的获取样品结构的横断面 图像，成像分辨率可以达到1~15μπι，对高散射样品的成像深度达到数毫米，能够提供样品 三维高分辨图像。近年来，OCT应用于传统组织工程技术制造的支架和组织的研究正逐步开 展。如S.M.Rey等人将细胞与凝胶混合，用OCT技术检测了细胞在凝胶材料中的三维和四维 迀移。C.W.Chen等人利用OCT对粒子盐析法制备的水凝胶多孔结构进行定量评价。这些研究 验证了 OCT用于水凝胶支架评价的可行性，但必须指出传统的组织工程技术是过程依赖性 的，无法对水凝胶结构进行局部定位控制制造，也无法按照预定义的结构进行可重复性制 造，所以，以往支架的结构表征更多关注全局性的统计结构特征，而非与空间位置关联的局 域化结构特征，且无须对整个支架成像。3D Bio-printing技术可以预定义水凝胶支架孔的 形状和尺寸、内部通道结构，要将OCT技术应用于反馈控制三维打印水凝胶支架结构可控性 优化必须解决几个关键技术问题：
[0008] (1)实现快速大范围三维扫描，以提供三维生物打印水凝胶支架的全局成像。常规 的OCT横向成像范围在~10mm*IOmm之间，而三维打印水凝胶支架的横向大小一般 超过10mm* I Omm，因而必须提高OCT的横向成像范围。
[0009] (2)发展自动的图像处理与分析算法，可以自动选择相互隔离的感兴趣目标区域 (region-〇f-interest，R0I)。一个支架的三维OCT图像采集就有大量数据，且OCT原始图像 具有大量斑点噪声，人工处理易出错，必须发展自动图像处理算法对原始OCT图像进行预处 理，降低斑点噪声提高图像质量，以方便分割出实体结构和孔隙、通道。此外，自动选择相互 隔离的ROI，定量分析ROI的形态参数，可以为三维生物打印水凝胶支架的定位制造提供有 效的局域化信息反馈。
[0010] 有鉴于此，本发明针对三维生物打印水凝胶支架结构可控性优化对结构精确表征 的需求，提出一种适合三维生物打印水凝胶支架定量表征的OCT系统和方法。该系统能够实 现对三维生物打印水凝胶支架整体的无损非侵入快速成像，且能够根据采集的三维OCT数 据进行自动图像处理，降低斑点噪声，提高图像质量，自动分割出实体结构和孔隙、通道，自 动选择相互隔离的ROI，定量分析ROI的形态参数，包括其直径、面积、形状因子等参数，并可 以给出支架整体的孔隙率、连通性及表面积等形态参数。
【发明内容】
[0011] 本发明的一个目的是针对现有技术的不足，以克服现有三维生物打印水凝胶支架 结构精度控制不够的缺陷，提出了一种基于OCT技术的三维生物打印水凝胶支架的优化控 制系统。
[0012] 本发明的技术方案如下：
[0013] 一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统，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打印参数可控的三维生物打印设备。
[0014] 所述的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;光源发出的光经光纤进 入低相干干涉模块，低相干干涉模块发出的探测光经光纤进入样品扫描模块，样品扫描模 块将光聚焦到放置在样品台的三维生物打印水凝胶支架上，支架产生的后向散射光原路返 回至低相干干涉模块，低相干干涉模块产生