用于产生组织工程支架的3d打印技术的制作方法
【技术领域】
[0001] 本教导涉及组织工程支架的领域，更特别地涉及用于打印组织支架的方法。
【背景技术】
[0002] 支架为组织工程中的关键部件。功能组织或器官再生的成功依赖于用以引导三维 生长的合适的支架的开发。自然界中的正常细胞增殖为固有依赖于时空组织的精确受控的 一系列事件。二维（即在玻璃或聚苯乙烯基材上）培养细胞忽视了已知对于准确复制细胞 和组织生理学而言重要的许多参数。这种二维生长并非自然组织中存在的细胞外基质的准 确表示。已知许多复杂的生物响应（如受体表达、转录表达和细胞迁移）在二维生长条件 下相对于自然条件下显著不同。
[0003] 目前的技术寻求产生类似于自然界中存在的那些支架结构的支架结构。支架为具 有适当的形状、尺寸、构造和物理性质以提供用于细胞附着和随后的组织发育的结构支撑 的三维（3D)结构。结构性质（如宏观形状（构造）、孔隙尺寸、孔隙率、孔隙互联性、表面 积、表面化学和机械性质）为在设计用于组织工程（特别是在大的复杂组织的再生中）的 支架中的关键考虑。通常，可行的支架必须具有用于靶标特异性的组织发育的高孔隙率、适 当的刚度、高程度的可再生精确度和适当的孔隙尺寸。支架通常使用可生物降解的聚合物 和水凝胶产生，并通常在组织围绕其生长时随时间而降解。当组织开始构造其自身的细胞 外基质以支撑其结构和功能时，支架降解以避免抑制进一步的组织生长。
[0004] 已开发各种制造技术来产生合适的支架，包括熔体成型、纤维粘合、旋转浇铸、溶 剂浇铸和颗粒浙滤。尽管由这些常规技术制得的支架可解决单独的问题（例如构造、孔隙 尺寸或孔隙率），但仍然需要以如下方式构建支架：所述方式可解决多个结构问题，并可满 足细胞生长所需的结构、机械和营养要求。
【发明内容】
[0005] 如下显示了简化概要，以便提供对本教导的一个或多个实施例的一些方面的基本 理解。所述概要并非广泛的概述，不旨在确定本教导的关键或决定性要素，也不旨在描述本 公开的范围。相反，其主要目的仅在于以简化形式显示一个或多个概念以作为之后给出的 详细说明的前序。
[0006] 在一个实施例中，一种用于打印三维组织支架的方法包括使用打印机将支架纤维 的第一层打印至基本凝胶基材；和在经打印的第一层上设置第一凝胶层。
[0007] 在另一实施例中，一种用于打印三维组织支架的方法可包括使用打印机将第一和 第二牺牲纤维打印至基本凝胶层上；在所述第一和第二牺牲纤维之间打印第一支架纤维， 以形成经打印的第一层；和在所述经打印的第一层上设置第一凝胶层。
【附图说明】
[0008] 引入并构成本说明书的一部分的附图示出了本教导的实施例，并与描述一起用于 解释本公开的原理。在附图中：
[0009] 图1为用于打印三维组织支架的本教导的第一实施例的横截面。
[0010] 图2A为用于打印三维组织支架的本教导的第一实施例的另一横截面。
[0011] 图2B为用于打印三维组织支架的本教导的第一实施例的另一横截面。
[0012] 图3为用于打印三维组织支架的本教导的第二实施例的横截面。
[0013] 应注意，附图的一些细节已被简化，并绘制为促进对本教导的理解而不是保持严 格的结构准确度、细节和比例。
【具体实施方式】
[0014] 现在将详细参照本教导的示例性实施例，其实例在附图中进行说明。只要有可能， 将在整个附图中使用相同的附图标记以表示相同或类似的部分。
[0015] 除非另外指出，如本文所用，"打印机"涵盖进行材料在基材上的沉积的任意设备。 尽管本教导在本文参照打印熔融聚合物（特别是熔融可生物降解的聚合物）的打印机进行 描述，但应了解，能够形成组织支架并能够从打印机分配的任意材料可有利地引入本教导 的实施例。另外，为了本发明的目的，词语"油墨"用于指由打印机分配的任意材料，并可包 括落入本教导范围内的任意化合物或混合物。此外，除非另外指出，否则"熔融"材料包括 非固体形式（例如液体或半粘性）的材料。
[0016] 本教导的一个实施例包括使用打印机将支架纤维的第一层打印至基本凝胶基材 上，和在经打印的第一层上设置第一凝胶层以形成组织支架。所述构建组织支架的方式产 生交替的经打印的支架纤维层和凝胶层，其中凝胶层用作下一经打印的支架纤维层的柔软 支撑，由此产生层状支架。
[0017] 本教导的另一实施例包括使用打印机将第一和第二牺牲纤维打印至基本凝胶基 材上；在所述第一和第二牺牲纤维之间打印第一支架纤维，以形成经打印的第一层；和在 所述经打印的第一层上设置第一凝胶层。所述构建组织支架的方式用牺牲纤维产生"安全 壁（containment wall)"以减小经打印的第一层中的支架纤维的宽度，并有助于增加组织 支架的总体孔隙率。
[0018] 本教导的实施例可包括方法和可在本教导的实施例过程中形成的过程内结构，例 如图1-3所示和所附文字所述。
[0019] 图1显示了基本凝胶基材120和经打印的第一层135。基本凝胶基材120包括设 置于多孔基材100上的基本凝胶层110。多孔基材100可为能够支持营养物和废物传输的 任何无菌材料，如无菌滤纸。基本凝胶层110可包括水凝胶、天然来源的可降解聚合物、合 成可降解聚合物、或它们的组合。基本凝胶层Iio还可包括细胞外基质蛋白质。
[0020] 合成可降解聚合物的例子包括但不限于聚（羟基乙酸）（PGA)、聚（乳酸）（PLA)、 聚（ε -己内酯）（PCL)、聚氯酯、聚（原酸酯）（POE)、聚（酸酐）、聚乙烯醇（PVA)、酪氨酸衍 生的聚碳酸酯、它们的共聚物、以及它们的组合。天然来源的可降解聚合物包括但不限于胶 原、壳聚糖、纤维蛋白、粘多糖、丝心蛋白、琼脂糖、海藻酸盐、淀粉、以及它们的组合。水凝胶 的非限制性的例子包括聚（环氧乙烷）（PEO)、聚（乙烯醇）（PVA)、聚（丙烯酸）（PAA)、琼脂 糖、海藻酸盐、壳聚糖、胶原、纤维蛋白、明胶、透明质酸（HA)、或它们的混合物。
[0021] 在一个具体实施例中，基本凝胶层包括Geltrex? (加利福尼亚州卡尔斯巴德的 生命技术公司（Life Technologies Corp·，Carlsbad，CA))或Matrigel? (马萨诸塞州比 勒利卡的BD生物科学公司（BD Biosciences，Billerica，MA))。在另一具体实施例中，凝 胶层可包含聚（乳酸）和/或其共聚物。
[0022] 使用打印机140将支架纤维130的第一层沉积至基本凝胶基材120上，以形成经 打印的第一层135,如图1所示。对于本领域普通技术人员明显的是，图中所示的结构（如 打印机140、打印机喷嘴150等）表示示意性说明，并且可添加其他结构或元件或者可去除 或修改现有的结构或元件。支架纤维130可为适用于构建组织支架的任何可生物降解的聚 合物，包括天然来源的可降解聚合物或合成可降解聚合物。优选地，支架纤维130不同于基 本凝胶层110。合成可降解聚合物的例子包括但不限于聚（羟基乙酸）（PGA)、聚（乳酸） (PLA)、聚（ε -己内酯）（PCL)、聚氯酯、聚（原酸酯）（POE)、聚（酸酐）、聚乙烯醇（PVA)、酪 氨酸衍生的聚碳酸酯、它们的共聚物、以及它们的组合。示例性的天然来源的可降解聚合物 包括但不限于胶原、壳聚糖、纤维蛋白、粘多糖、丝心蛋白、琼脂糖、海藻酸盐、淀粉、以及它 们的组合。在一个实施例中，支架纤维为酪氨酸衍生的聚碳酸酯。
[0023] 在打印过程中，可生物降解的聚合物的溶液的液滴160可从打印机喷嘴150喷射 至基本凝胶基材120上，以形成由支架纤维130制得的经打印的第一层135。基本凝胶基 材120可位于可移动台板90上。打印机140可为例如按需滴墨（DOD)喷墨打印机。可使 用换能器（如本领域已知的使隔膜偏斜的压电元件），使油墨（例如溶液中的熔融可生物降 解的聚合物）作为通过喷嘴150的多个液滴160喷射。在DOD打印机的情况下，例如，液滴 160可作为单独的液滴从多个喷嘴150同时喷射；然而，液滴160聚结在一起而产生连续的 支架纤维130,以形成经打印的第一层135。在一个实施例中，液滴160可以以约20kHz至 约43kHz的发射频率从打印机喷嘴150喷射。
[0024] 在打印过程中，产生支架纤维所需的喷射过程为喷射频率和绒毛高度积聚的组 合。可生物降解的聚合物的喷射的熔融液滴160可具有约6至约20cP的粘度，约20至约 40达因/cm的表面张力，和/或约14至约25皮升的尺寸。液滴160的热质量允许液滴落 在凝胶层上，并局部熔融凝胶层，使得局部熔融将液滴搁置，由此降低或防止聚合物飞溅。 当液滴到达凝胶界面（即每50 μ sec或20kHz)时，每个新的液滴融合至前一液滴并聚结。 这允许液滴160的连续沉积以形成支架纤维130。
[0025] 支架纤维130直径随着打印头下方的台板移动的速率而变化。例如，70mm/sec (即 在0. 5ms内35um)的台板速度允许液滴160的表面能聚结在一起而形成支架纤维130。进 一步举例而言，以单个X、y坐标喷射的10个14皮升的液滴可形成60 μ m的纤维直径。台 板速度应该连续，以允许形成连续纤维，并应该足够快，从而对抗形成聚合物的聚结球而产 生纤维。
[0026] 打印机140可为除了 DOD喷墨打印机之外的打印机，如挤出打印机、固体油墨打印 机、或使用其他油墨打印技术的打印机。在一个实施例中，打印机可包括含有材料供给145 的贮存器147和（