本發(fā)明涉及一種個(gè)性化含鑲嵌結(jié)構(gòu)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(fù)支架的制作方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

由于外傷、腫瘤等導(dǎo)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(yǔ)音等口腔功能，不僅嚴(yán)重?fù)p害患者的身心健康，同時(shí)也給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大負(fù)擔(dān)。傳統(tǒng)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(fù)的金標(biāo)準(zhǔn)，一般采用患者自身的髂骨，雖然其免疫反應(yīng)低，然而其對(duì)供骨區(qū)造成新的創(chuàng)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(xué)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(dǎo)性、但很少能具有骨誘導(dǎo)性。

骨組織工程技術(shù)被認(rèn)為是本世紀(jì)前沿、最有希望為廣大骨缺損患者帶來(lái)福音的骨再生技術(shù)。其中，支架材料是骨組織工程的核心問題和難點(diǎn)所在。傳統(tǒng)的多孔支架制作技術(shù)有熔融成型法、顆粒濾除法、冷凍干燥技術(shù)、靜電紡絲法、相分離法等。以上方法制備的支架雖能滿足細(xì)胞生長(zhǎng)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(xì)胞的增殖分化和組織的血管化。同時(shí)，顱頜面部的骨骼多為扁骨或不規(guī)則骨，形態(tài)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常規(guī)的加工方式所形成的支架不能滿足顱頜面骨缺損修復(fù)的需要。3D打印技術(shù)通過(guò)掃描缺損部位，獲得數(shù)字化模型，并建立其三維模型進(jìn)行打印，對(duì)骨缺損部位進(jìn)行個(gè)性化重建。同時(shí)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(duì)患者身體造成的損傷，同時(shí)降低了異體骨移植高昂的費(fèi)用。

然而，支架材料與種子細(xì)胞的復(fù)合物植入體內(nèi)后，如何保證種子細(xì)胞的持續(xù)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(zhàn)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(huán)節(jié)。體外培養(yǎng)時(shí)，細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的運(yùn)輸主要靠滲透作用和擴(kuò)散作用，復(fù)合物植入體內(nèi)后，依靠血液、細(xì)胞間液來(lái)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)和氧氣的運(yùn)輸，遠(yuǎn)離毛細(xì)血管150-200μm以上的細(xì)胞可能因?yàn)槿狈I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣而不能存活。目前，限制組織工程發(fā)展的難題是植入物缺乏足夠的血液供應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)障礙。為了提高復(fù)合物在體內(nèi)的生存率，工程化組織必須具備血管化的能力，為種子細(xì)胞的功能活動(dòng)提供充足的營(yíng)養(yǎng)和氧氣。

然而，目前3D打印的組織工程支架，大部分是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，孔徑固定、單一，孔道聯(lián)通模式簡(jiǎn)單，而這與人體骨小梁的結(jié)構(gòu)不相符，不利于骨再生和骨組織的血管化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種個(gè)性化含鑲嵌結(jié)構(gòu)的3D打印顱頜面骨組織工程支架的制作方法及應(yīng)用，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)所制作的骨組織工程支架大部分是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，孔徑固定、單一，孔道聯(lián)通模式簡(jiǎn)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(shù)問題，本申請(qǐng)采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種個(gè)性化含鑲嵌結(jié)構(gòu)的3D打印骨組織工程支架，其特征在于：通過(guò)三維建模重建出頜骨大面積骨缺損的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，該支架包括兩部分，一部分是恢復(fù)顱頜面骨缺損形態(tài)與結(jié)構(gòu)的外部輪廓支架，另一部分是用于促進(jìn)血管形成的內(nèi)部管狀支架。通過(guò)在外部支架上接種間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)和/或負(fù)載骨形成蛋白(BMP)等促進(jìn)成骨的因子，在內(nèi)部支架上接種內(nèi)皮細(xì)胞(ECs)和/或負(fù)載血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子(VEGF)等促進(jìn)成血管的因子，從而形成了一個(gè)外部維持形態(tài)與結(jié)構(gòu)，內(nèi)部促進(jìn)血管形成的骨組織工程支架，從而有助于干細(xì)胞的增殖、成骨向分化和組織工程復(fù)合物的血管形成，進(jìn)而提高骨再生的質(zhì)量和速度。

具體的過(guò)程包括如下步驟：

(1)根據(jù)CT影像技術(shù)，重建出頜骨缺損的大小及形狀；

(2)利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟Geomagic 2012進(jìn)行外部輪廓支架的孔徑與孔隙設(shè)計(jì)、內(nèi)部管狀支架的直徑、孔徑與孔隙設(shè)計(jì)。外部輪廓支架的孔徑為200μm，內(nèi)部管狀支架的內(nèi)徑為2mm，外徑為2.5mm，壁厚為0.5mm，孔徑為10μm；

(3)將設(shè)計(jì)好的三維結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)以STL格式導(dǎo)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(zhì)量比6∶4混合，內(nèi)部管狀支架所采用的打印材料為聚乳酸；

(5)成型后用無(wú)水乙醇和0.5％NaOH溶液分別浸泡24h，去離子水浸泡30min，環(huán)氧乙烷滅菌；

(6)在外部輪廓支架上接種間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)和/或負(fù)載骨形成蛋白(BMP)，其中，間充質(zhì)干細(xì)胞直接滴加在支架上，骨形成蛋白通過(guò)浸泡負(fù)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(shí)使用干細(xì)胞和骨形成蛋白，先對(duì)支架負(fù)載骨形成蛋白，然后接種干細(xì)胞。在內(nèi)部管狀支架上接種內(nèi)皮細(xì)胞(ECs)和/或負(fù)載血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子(VEGF)，其中，內(nèi)皮細(xì)胞直接滴加在支架上，血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子通過(guò)浸泡負(fù)載在支架上，先將支架浸泡在血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子溶液中，然后將其凍干。如果同時(shí)使用內(nèi)皮細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子，先對(duì)支架負(fù)載血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子，然后接種內(nèi)皮細(xì)胞。

本發(fā)明制作的支架與現(xiàn)有支架相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明通過(guò)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(gè)性化修復(fù)需求，制作出與患者顱頜面骨缺損部位相吻合的個(gè)性化支架，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)支架內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)(如孔隙率、孔尺寸、孔分布等)的精準(zhǔn)控制。

本發(fā)明考慮了骨再生過(guò)程中血管化的重要作用，進(jìn)行了鑲嵌結(jié)構(gòu)的內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有助于實(shí)現(xiàn)快速的骨再生和骨組織的血管化。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1.鑲嵌結(jié)構(gòu)示意圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。

一種鑲嵌結(jié)構(gòu)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(fù)顱頜面骨缺損形態(tài)與結(jié)構(gòu)的外部輪廓支架，另一部分是用于促進(jìn)血管形成的內(nèi)部管狀支架。

在外部支架上接種間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)和/或負(fù)載骨形成蛋白(BMP)，在內(nèi)部支架上接種內(nèi)皮細(xì)胞(ECs)和/或負(fù)載血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子(VEGF)。

以下頜骨大面積缺損為例，一種個(gè)性化鑲嵌結(jié)構(gòu)的3D打印骨組織工程支架的實(shí)施包括以下步驟：

(1)首先針對(duì)患者的顱頜面骨缺損，基于CT影像技術(shù)進(jìn)行三維重建，模擬出下頜骨缺損的大小和形狀；

(2)根據(jù)重建的下頜骨大小與形狀，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Geomagic 2012進(jìn)行外部輪廓支架的孔徑與孔隙設(shè)計(jì)、內(nèi)部管狀支架的直徑、孔徑與孔隙設(shè)計(jì)；

(3)外部輪廓支架的孔徑為梯度，由外向內(nèi)的孔徑逐漸縮小，其中，外部輪廓支架的孔徑為200μm，內(nèi)部管狀支架的內(nèi)徑為2mm，外徑為2.5mm，壁厚為0.5mm，孔徑為10μm；

(4)將設(shè)計(jì)好的三維結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)以STL格式導(dǎo)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(zhì)量比6∶4混合，內(nèi)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(nèi)部管道。成型后用無(wú)水乙醇和0.5％NaOH溶液分別浸泡24h，去離子水浸泡30min，環(huán)氧乙烷滅菌；

(6)先對(duì)外部輪廓支架負(fù)載骨形成蛋白(BMP)，然后將其凍干，最后接種間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)。并將內(nèi)部管狀支架浸泡在血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子(VEGF)溶液中，然后將其凍干，最后接種內(nèi)皮細(xì)胞；

(7)植入體內(nèi)時(shí)，將內(nèi)部管狀支架插入外部輪廓支架預(yù)先形成的空管中，從而形成含鑲嵌結(jié)構(gòu)的下頜骨大面積缺損的骨修復(fù)支架，然后將兩部分作為一個(gè)整體進(jìn)行植入。

可以理解的是，以上關(guān)于本發(fā)明的具體描述，僅用于說(shuō)明本發(fā)明而并非受限于本發(fā)明實(shí)施例所描述的技術(shù)方案，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行局部修改或等同替換，以達(dá)到相同的技術(shù)效果；只要滿足使用需要，都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。