一種骨細胞培養的三維微環境結構體的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于高分子材料領域，具體涉及一種骨細胞培養的三維微環境結構體。
【背景技術】
[0002]人類骨組織由于腫瘤、炎癥、外傷等可能導致骨的缺損，骨缺損的修復一直是組織工程中的難題。骨組織工程近年的迅速發展為人們解決大段骨缺損的治療難題提供了另一種途徑，尤其是近年來，三維立體生物可降解性材料及細胞培養等技術的發展，預示骨組織工程的美好前景。骨組織工程是指將分離的自體高濃度成骨細胞、骨髓基質干細胞或軟骨細胞，經體外培養擴增后種植于一種天然或人工合成的、具有良好生物相容性、可被人體逐步降解吸收的細胞支架(scaffold)或稱細胞外基質(extracellular matrix, ECM)上，需具有復雜的非均質多孔結構，為種子細胞粘附、生長和增殖及發揮成骨作用創造適宜的微環境，即這種生物材料支架可為細胞提供生存的三維空間，有利于細胞獲得足夠的營養物質，進行氣體交換，排除廢料，使細胞在預制形態的三維支架上生長，然后將這種細胞雜化材料植入骨缺損部位，在生物材料逐步降解的同時，種植的骨細胞不斷增殖，從而達到修復骨組織缺損的目的。
[0003]傳統制備具有適合細胞生長微環境的三維結構的方法很多，如纖維粘接法、乳液冷凍干燥法、溶液澆注/瀝濾法、氣體發泡法、熱致相分離法、靜電紡絲法等。這些方法都需要應用模具或手工實現支架的外形；大多數方法均基于手工操作，不能充分發揮計算機軟件設計的作用，不能實現對孔隙結構的可控性；難以保證孔隙之間的貫通性；難以實現梯度孔隙和材料梯度結構的成形，因此制備的支架都不具備一致的微結構和微環境。又因為其外部結構也不能與患者損傷的組織器官的解剖結構吻合，成形周期長，效率低，以至于不能實現支架個體化制造與生產的要求。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種骨細胞培養的三維微環境結構體，本發明用3D打印制造出的一種骨組織結構體內和體外基質微環境，使種子細胞和被誘變的干細胞在其中擴增，繁殖，生長，生活。
[0005]一種骨細胞培養的三維微環境結構體，其步驟如下:
(1)采集患者骨組織原始的影像數據并導入計算機，精確還原得到骨組織的三維圖像；
(2)分析解剖上述三維圖形，進行骨病灶部位規劃與正常部位精準吻合的反向數據，還原出骨病灶部位、剩余正常骨的三維模型；
(3)將三維模型轉換或存儲為格式文件；
(4)將上述格式文件的三維模型，基于個體骨組織結構數據，骨組織三維結構部分的骨缺損輪廓，對稱完好的結構部分，模擬出骨缺損前的原貌；
(5)根據3D打印模型的缺損部位及正常部位模型進行模擬吻合，模擬匹配過程中，進行多次反復疊加，使得缺損部分和修補填充部分達到要求，從而得到彌補缺損部位的骨組織三維結構；
(6)參照骨數據庫，對上述得到的骨組織三維結構進行內部微結構設計；
(7)將上述設計得到的三維模型存儲或轉化為格式文件；
(8)3D打印骨組織三維結構，快速實現實物模型。
[0006]其中，步驟(3)中的格式文件包括stl, stp, obj，max, 3ds, ma, vtk, igs的文件格式。
[0007]其中，步驟(7)中的格式文件包括stl, stp, obj，max, 3ds, ma, vtk, igs的文件格式。
[0008]其中，步驟(6)中的微結構設計指的是按骨細胞生長的需求條件對孔隙率和孔徑大小、形狀、支架表面積以及結構特征等進行設計、調節，重新建立生成三維模型。
[0009]其中，所述形狀包括圓柱形、球形或者立體。
[0010]其中，步驟(8)采用用3D打印機或其他多維打印機將骨組織三維結構打印生產成為1:1的實物模型；所述其他多維打印機包括4D打印機和打印機。
[0011]其中，其驗證方法如下:1.將3D打印的骨組織三維微環境結構體模型測量其相關的參數，如孔隙率，得到的數據在與設計的原型進行測量比對，檢查其是否滿足設計前的要求。2.將3D打印的實物模型與剩余正常骨的三維模型進行實物比對驗證。
[0012]其中，步驟(8)還包括檢測工序，所述檢測工序是檢測所得微環境結構體模型是否滿足活體細胞增擴，繁殖，生長。
[0013]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
(I)本發明設計了適合骨細胞生長的微環境結構體，其骨組織三維微結構可微調控，個體骨數據與骨科數據庫數據進行比對，骨三維微環境結構體與患者可進行個體化匹配。
[0014](2)骨三維微環境結構體微孔的數量、大小、分布及形狀可人為控制，在構建骨組織三維結構的同時可以對骨細胞進行精確定位，不但在表面而且在骨支架內部也可以含有細胞，這就為實現骨細胞的合理空間分布提供了可能，可以構建類似于自然骨組織中存在的血管等管道結構，且管道分布、管徑及孔隙率人為可控，便于復合物內部細胞與外界環境進行氧氣、營養與代謝產物的交換以及為進一步培養形成血管結構乃至最終產生相應的生理功能奠定基礎。
[0015](3) 3D打印適宜骨細胞培養的三維微環境結構體有一套相互導通的流道系統，保證在組織器官再造中細胞和養分順利輸運至組織器官結構內部，且細胞均勻沉積于微管道內部。
[0016](4) 3D打印適宜骨細胞培養的三維微環境結構體將適宜細胞生長、培養的微結構與微環境結合成一體，設計制造出適合細胞生長發育的結構體。
【具體實施方式】
[0017]下面結合實施例對本發明做進一步描述:
一種骨細胞培養的三維微環境結構體，其步驟如下:
(I)采集患者骨組織原始的影像數據并導入計算機，精確還原得到骨組織的三維圖像； (2)分析解剖上述三維圖形，進行骨病灶部位規劃與正常部位精準吻合的反向數據，還原出骨病灶部位、剩余正常骨的三維模型；
(3)將三維模型轉換或存儲為格式文件；
(4)將上述格式文件的三維模型，基于個體骨組織結構數據，骨組織三維結構部分的骨缺損輪廓，對稱完好的結構部分，模擬出骨缺損前的原貌；
(5)根據3D打印模型的缺損部位及正常部位模型進行模擬吻合，模擬匹配過程中，進行多次反復疊加，使得缺損部分和修補填充部分達到要求，從而得到彌補缺損