专利名称：组织工程载体框架的低温挤压/喷射堆积成形工艺方法
技术领域：
本发明属于产品成形工艺技术领域，特别涉及一种人体组织工程载体框架制造成形技术及方法。
背景技术：
目前国际上组织工程的载体框架的成形方法一般采用发泡法、溶盐法、浸浆法和热致相分离法等。这些工艺都遵循相似的原理，那就是通过间接的手段造孔，如加入发泡剂、糖、无机盐、多孔海绵和有机溶剂等作为造孔剂，孔隙的形态参数与造孔剂的选择有着直接关系。
例如浸浆法的典型工艺——聚氨酯海绵浸浆法就是将聚氨酯海绵浸入陶瓷浆料中，然后在125℃干燥1小时，以0.5℃/min的速度加热至500℃，再以1℃/min的速度加热至高温烧成，其工艺方法的原理如图1所示。这种工艺方法只能成形烧结的陶瓷载体框架，而许多生物材料并不能承受高温的加工过程，因此可用的材料受到限制。
这些传统的组织工程载体框架制造工艺通常存在以下问题(1).难以成形200μm-500μm尺寸范围且相互贯通的可控孔隙结构。由于这些工艺都是间接造孔(通过发泡剂、无机盐等等)，很难实现对于载体框架孔隙结构的直接有效控制，成形的孔隙结构在一定程度上存在随意性，很难满足组织工程载体框架的形态参数要求——200μm-500μm尺寸范围且相互贯通的可控孔隙结构；(2).难以实现孔隙梯度结构和材料梯度结构的成形。这种均匀孔隙结构与材料组成的载体框架，很难协调载体框架的降解性能与机械强度之间矛盾，很难满足组织工程载体框架的复杂性能要求；(3).难以实现用户化的载体框架制造。由于不同病例的组织缺损情况千差万别，需针对具体的病例设计和制造载体框架，传统的工艺方法难以实现。
发明内容
本发明的目的在于克服传统的组织工程载体框架成形工艺的不足之处，提供一种组织工程载体框架制造的低温挤压/喷射堆积成形工艺，使其便于达到组织工程载体框架的形态参数要求及复杂的性能要求，实现孔隙梯度结构和材料梯度结构的成形，实现用户化的载体框架制造。
本发明提出一种组织工程载体框架制造的低温挤压/喷射堆积成形工艺方法，依次按如下步骤进行一种组织工程载体框架的低温挤压/喷射堆积成型工艺方法，其工艺依次按如下步骤进行a.将所需的组织工程载体框架材料与溶剂混合，制备成室温下含组织工程载体框架材料的液体；并制备室温下含所需生长因子的液体；b.根据用户组织的具体结构以及预先设计的路径，将上述含组织工程载体框架材料的液体和含生长因子的液体在低于0℃的低温环境中分别通过不同的喷头挤出或喷射出来，逐层堆积成形为冷冻的多孔组织工程载体框架；c.将上述冷冻的组织工程载体框架送入冻干机中冷冻干燥，去除溶剂后即可得到组织工程载体框架。
本发明的上述步骤中，a步骤中所述的制备含组织工程载体框架材料的液体为含组织工程载体框架材料的溶液、悬浊液、乳浊液或材料部分溶解的浆料；所述室温下含所需生长因子的液体为包括生长因子的溶液、悬浊液、乳浊液、生长因子部分溶解的浆料。
本发明工艺方法的原理及特点1)低温挤压/喷射堆积成形工艺方法的原理是基于快速成形制造的离散/堆积基本原理，成形过程及框架的孔隙结构可以根据预先的设计进行逐层堆积成形，因此，孔隙尺寸和相互贯通性可以得到很好的控制。
2)由于在本发明中，材料的制备是在室温下采用溶剂溶解或液体悬浮的方式得到液态的成形材料，而不采用任何加热熔融的液态材料制备方式，因此很好的保持了生物材料的生物活性，使本工艺具有广泛的材料适应性。
3)本工艺采用冷冻干燥方法将冷冻状态的组织工程载体框架中的溶剂去除，此工序中溶剂的升华留下了大量50μm以下尺寸的相互贯通的微孔结构，提高了载体框架的孔隙率，有利于载体框架的体内降解和再生组织的营养与代谢。
4)由于本发明采用的快速成形工艺在制造复杂形状方面的巨大柔性，可以实现用户化的载体框架制造。
图1为现有技术中采用的聚氨酯海绵浸浆法工艺示意图；图2为低温挤压/喷射堆积成形工艺方法示意图；图3为低温挤压/喷射堆积成形设备结构示意图；图4为利用用本发明的工艺方法所制造的骨组织工程载体框架；图5为扫描电镜观察所制造的骨组织工程载体框架的孔隙结构照片。
具体实施例方式
组织工程载体框架的低温挤压/喷射堆积成形工艺方法的原理如图2所示，首先将组织工程载体框架材料与溶剂混合制备成室温下含组织工程载体框架材料的液体，制备室温下含生长因子的液体。不同的组织需采用不同的组织工程载体框架材料，如骨组织工程常采用可降解高分子材料、钙磷盐或它们的复合材料，血管组织工程常采用聚氨酯材料等等。不同的材料需溶于不同的溶剂，有的材料不溶于溶剂，不溶的部分制备成10μm以下的粉料。制备室温下含组织工程载体框架材料的液体包括组织工程载体框架材料的溶液、悬浊液、乳浊液或该材料部分溶解的浆料。同样，不同组织需要不同的生长因子，不同的生长因子需溶于不同的溶剂，有的生长因子不溶于溶剂，不溶的部分制备成10μm以下的粉料。制备室温下含生长因子的液体包括生长因子的溶液、悬浊液、乳浊液、生长因子部分溶解的浆料或生长因子均匀混合在前述含组织工程载体框架材料的液体内的混合物。然后按照预先的设计规定的路径，分别通过不同的喷头将含的组织工程载体框架材料液体和含生长因子的液体在低于0℃的低温环境中挤出或喷射出来，逐层堆积并冷冻成形的多孔组织工程载体框架。采用此工艺方法的设备原理如图3所示。按照预先的设计规定的路径，喷头组3将贮藏在储料罐组2中的液态原料，分别通过挤出或喷射的方式，在低于0℃的低温成形室5中，逐层堆积在工作台1上，得到冷冻的组织工程载体框架4。框架的孔隙结构可以通过预先的设计，可以通过计算机或其他方式控制喷头的扫描运动轨迹来得到，孔隙尺寸和相互贯通性可以得到很好的控制。喷头组中的各喷头均可以在控制下作独立的扫描运动，挤出/喷射不同的材料，根据预先的设计成形材料梯度结构。将冷冻的载体框架在冻干机中冷冻干燥，溶剂去除后得到用于组织修复的组织工程载体框架。
实施例本发明的实施例为通过低温挤压/喷射堆积成形工艺制造的骨组织工程载体框架，如图4所示。所采用的骨组织工程材料为生物可降解的高分子聚合物与钙磷盐的混合物，采用的生长因子为骨形态发生蛋白。首先将骨组织工程材料与氯仿混合制备成液态的浆料，同时制备骨形态发生蛋白的水悬浊液，然后将这两种液态的原料分别装入两个储料罐中，分别向两个专用的喷头输送原料。喷头在计算机的控制下将两种材料在低于0℃的低温成形室中挤出/喷射，并逐层堆积成形，得到冷冻的骨组织工程载体框架，经过冷冻干燥工艺之后，得到图4所示的组织载体框架结构。在计算机的控制下，成形的载体框架具备200μm-500μm尺寸范围且相互贯通的可控孔隙结构，实现了孔隙梯度结构和材料梯度结构的成形。通过采用三维重构后的患者CT图象数据，可以实现用户化的载体框架成形。图5为扫描电镜观察实施例所制造的骨组织工程载体框架的孔隙结构照片，该图放大后可以看到400μm的大孔结构布满了50μm以下相互贯通的小孔结构。
权利要求
1.一种组织工程载体框架的低温挤压/喷射堆积成形工艺方法，其特征依次按如下步骤进行a.将所需的组织工程载体框架材料与溶剂混合，制备成室温下含组织工程载体框架材料的液体；并制备室温下含所需生长因子的液体；b.根据用户组织的具体结构以及预先设计的路径，将上述含组织工程载体材料的液体和含生长因子的液体在低于0℃的低温环境中分别通过不同的喷头挤出或喷射出来，逐层堆积成形为冷冻的多孔组织工程载体框架；c.将上述冷冻的组织工程载体框架送入冻干机中冷冻干燥，去除溶剂后即可得到组织工程载体框架。
2.按照权利要求1所述的一种组织工程载体框架的低温挤压/喷射堆积成形工艺方法，其特征在于上述a步骤中所述的含组织工程载体框架材料的液体为含组织工程载体框架材料的溶液、悬浊液、乳浊液或材料部分溶解的浆料，所述室温下含所需生长因子的液体为包括生长因子的溶液、悬浊液、乳浊液、生长因子部分溶解的浆料。
全文摘要
本发明属于人体组织工程载体框架制造工艺技术领域,其方法包括以下步骤:首先制备室温下含组织工程载体框架材料的液体和含生长因子的液体;根据用户的要求和预先设计规定的路径,将上述两种液体在低于0℃的低温环境中分别通过不同的喷头挤出或喷射出来,逐层堆积成形为冷冻的多孔组织工程载体框架,然后在冻干机中冷冻干燥,去除溶剂后得到组织工程载体框架。该工艺是基于快速成形制造的离散/堆积基本原理,成形过程及框架的孔隙结构可以根据预先的设计进行逐层堆积成形,孔隙尺寸和相互贯通性可以得到很好的控制;既有利于载体框架的体内降解和再生组织的营养与代谢,又便于实现用户化的载体框架制造。同时由于不需采用任何加热熔融的液态材料制备方式,能很好的保持生物材料的生物活性。
文档编号A61L31/00GK1341458SQ0114186
公开日2002年3月27日 申请日期2001年9月21日 优先权日2001年9月21日
发明者熊卓, 颜永年, 胡蕴玉, 张人佶, 陈立峰, 郑卫国, 王笠, 卢清萍, 吴任东 申请人:清华大学