分叉结构三维分层血管支架的成形系统和方法与流程

本发明涉及一种分叉结构三维分层血管支架的成形系统和方法，能实现具有分层结构的三维空间内的分叉血管支架，应用于机械制造和生物制造技术领域。

背景技术：

近年来，心血管疾病逐渐成为威胁健康的重要因素，由于缺少合适的自体血管，每年有大量病人需要人工血管移植。构建具有功能性的组织血管支架具有广阔的应用前景。

人体内的血管内径从5微米到25毫米不等，尺寸较大的血管壁有明显的三层结构：内膜，中膜和外膜。内膜是附着在基底膜上的单层内皮细胞；中膜由大量的平滑肌细胞或弹性组织构成；外膜主要由包含成纤维细胞和血管。

周围神经的细胞外基质胶原组成。

目前，在组织工程血管支架成形工艺方面，常常使用的工艺方法主要可以分为两类：一类是基于血管模型预建立方法；另一类是基于组织结构内血管网络生成的方法。血管模型预建立方法又可以分为利用模具浇注和结合电纺丝技术成形的方法；而基于组织结构内血管网络生成的方法主要是通过3D细胞培养技术，利用内皮细胞等自发地在生物支架内形成细微的通道。这些传统方法虽然获得了较成功的血管支架或具有血管网络的支架，但是目前制备多层血管支架的工艺方法很难实现支架三维空间的结构以及血管分叉的形态，而能够实现一定三维分叉流道结构的工艺方法又很难实现血管的三层结构。而对于组织工程在临床的应用来说，制备具有血管分层结构的三维空间内的分叉血管支架具有十分重要的意义。此外，在血管的三层结构中，因为内膜是单层的内皮细胞，因此在制备血管支架时，只需构建出对应于中膜和外膜的两层实体支架结构，内膜可以通过接种内皮细胞来形成。

在制备组织工程血管支架的工艺中，常常使用牺牲材料的方法来达到形成最终血管支架中空结构的目的。常用的牺牲材料分为水溶性材料和热熔性材料。聚乙烯醇是常用的水溶性牺牲材料，其在65到75℃的温度下完全溶于水；普朗尼克F127材料是常用的热熔性牺牲材料，属于热可逆材料，可溶于水，在凝胶温度以下，会经历由凝胶态到液态的转变，因此可用作试验中的牺牲材料，即通过降低温度的方法将其去除，从而得到中空的管道结构。

3D打印技术(增量制造技术)是近年来发展的一种新型的机械制造技术，属于快速成形技术的一种。应用计算机辅助设计(CAD)软件设计出需要加工的模型，通过软件分层离散和数控成形系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料等材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成形。3D打印技术可以应用于模具的快速打印，能实现具有复杂空间结构的模具的制造，大大缩短了模具制造的周期。

技术实现要素：

本发明的目的是针对已有血管支架制备工艺存在的缺陷，提供一种分叉结构三维分层血管支架的成形系统和方法，该系统通过3D打印技术制造模具，通过向模具中灌注水凝胶的方式，进行血管支架的逐层制备；利用普朗尼克F127牺牲材料，通过先添加后牺牲的方法实现血管支架的中空结构，最终形成具有分叉结构的三维分层血管支架。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种具有分叉结构的三维分层血管支架成形系统，包括模具系统、水凝胶灌注系统、牺牲材料打印系统和计算机控制系统，其特征在于：所述的模具系统通过设计模具的CAD文件，使用3D打印机进行各个模具的打印；所述的水凝胶灌注系统，通过微量泵推动注射器活塞，将水凝胶灌注到由两个模具合并所形成的流道中；所述的牺牲材料打印系统，将牺牲材料装入注射器针筒中，注射器固定在微量泵上，微量泵安装在三维运动机构上，通过三维运动机构带动微量泵运动，微量泵推动注射器活塞挤出牺牲材料，从而实现牺牲材料的打印。

所述的模具系统共包含5个模具，其中模具1能够分别与模具2、模具3、模具4、模具5契合。每个模具凸起或凹下的路径完全相同。

所述的水凝胶灌注系统由微量泵控制器、微量泵执行机构、注射器活塞筒体、入口导管、出口导管和上述模具组成。

所述的牺牲材料打印系统由三维运动机构、微量泵控制器、微量泵执行机构、注射器活塞筒体和注射器针头组成。

所述的计算机控制系统包括一个计算机系统联接一个控制系统，控制系统联接控制三维运动机构的电机。

一种利用上述系统制备具有分叉结构的三维分层血管支架的成形方法，基于3D打印模具，通过灌注水凝胶和打印牺牲材料普朗尼克F127进行试验操作，其特征在于：

1)成形血管支架外层的下半层：将模具1和模具2合并在一起，使各自的管道轴线重合。合模之后，将水凝胶溶液通过注射器从模具1一侧的入口导管注入，直至溶液从模具1另一侧的出口导管流出为止，待水凝胶溶液凝胶化之后，取下模具2，可得到血管支架外层的下半层结构；

2)成形血管支架内层的下半层：将模具1和模具3合并在一起，使各自的管道轴线重合。合模之后，将水凝胶溶液通过注射器从模具1一侧的入口导管注入，直至溶液从模具1另一侧的出口导管流出为止，待水凝胶溶液凝胶化之后，取下模具3，可得到血管支架内层的下半层结构；

3)牺牲材料的打印：将装有普朗尼克F127材料的注射器固定在微量泵上，微量泵固定在三维运动平台上，计算机控制系统控制三维运动平台按照设计的路径进行运动，注射器在微量泵的驱动下实现牺牲材料的打印。由此可见，针头的运动速度和材料的挤出速度必须匹配，才能保证挤出路径的完整性。打印过程如图5所示，设注射器在微量泵的驱动下活塞运动速度为v₀，材料的挤出速度为v₁，注射器平移速度为v，注射器内径为d₀，挤出材料直径为d₁，挤出流量为Q。则挤出流量可以用以公式(1)和公式(2)来表示：

$Q=v_0\frac{{d_0}^2}{4\mathrm{\π}}---\left(1\right)$

$Q=v_1\frac{{d_1}^2}{4\mathrm{\π}}---\left(2\right)$

由流量相等原理可以得出：

$v_0\frac{{d_0}^2}{4\mathrm{\π}}=v_1\frac{{d_1}^2}{4\mathrm{\π}}---\left(3\right)$

又因为材料挤出速度等于注射器平移速度，即：

v＝v₁ (4)

由公式(3)和(4)可以得出活塞运动速度和注射器平移速度的关系：

$\frac{v}{v_0}=\frac{{d_0}^2}{{d_1}^2}---\left(5\right)$

4)成形血管支架内层的上半层：将模具1和模具4合并在一起，使各自的管道轴线重合。合模之后，将水凝胶溶液通过注射器从模具1一侧的入口导管注入，直至溶液从模具1另一侧的出口导管流出为止，待水凝胶溶液凝胶化之后，取下模具4，可得到血管支架内层的上半层结构；

5)成形血管支架外层的上半层：将模具1和模具5合并在一起，使各自的管道轴线重合。合模之后，将水凝胶溶液通过注射器从模具1一侧的入口导管注入，直至溶液从模具1另一侧的出口导管流出为止，待水凝胶溶液凝胶化之后，取下模具5，可得到血管支架外层的上半层结构；

6)牺牲材料的去除：降低系统环境温度使普朗尼克F127材料液化流出，从而形成中空的管道结构。将支架从模具1取下，即可得到具有分叉结构的三维分层血管支架。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1)本发明利用3D打印技术进行模具的制造，可以在很短的周期内制造出所设计的模具。

2)可以根据现有的医疗血管数据模型来生成相应模具的CAD模型，并通过3D打印的方式进行模具的制造，从而能够构建具有模拟生物体内真实结构的血管支架。

3)可以实现具有双层结构的血管支架，因而能够更好地模拟生物体内血管的生理结构。

4)可以实现具有分叉结构的血管支架，因此具有成形单根血管支架工艺无法比拟的优势。

5)可以实现具有一定三维结构的血管支架，因此更能满足临床移植的需求。

6)可以实现血管支架不同层之间水凝胶材料的差别，而血管不同层内的不同种类的细胞对于周围基质的要求种类也不同，因此为后续的细胞接种提供了良好的接种条件。

综上所述，本发明所述系统利用模具系统、水凝胶灌注系统和牺牲材料打印系统综合实现了具有分叉结构的三维分层血管支架的成形。该系统具有结构简单可靠、自动化程度高、易控制、周期短等优点，适用于组织工程中具有分叉结构的三维分层多种材料的血管支架成形。

附图说明

图1是本发明的分叉结构三维分层血管支架的成形系统。

图2是模具系统。

图3是水凝胶灌注系统的结构示意图。

图4是牺牲材料打印过程及各参数的示意图。

图5是打印过程模具系统剖视图(其中由图(a)～图(j)示出各模具在打印过程中的配合)。

在图1至图3中：

I—模具系统，11—模具1，12—模具2，13—模具3，

14—模具4， 15—模具5，

II—水凝胶灌注系统，21—微量泵控制器，22—微量泵执行机构甲，

23—注射器活塞筒体，24—入口导管，25—出口导管，

III—牺牲材料打印系统， 31—三维运动机构，32—微量泵执行机构乙，

33—注射器活塞筒体，34—注射器针头，35—微量泵控制器，

4—计算机系统，

5—机架。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例进行进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理及工作过程内容：

实施例一：

参见图1～图3，本分叉结构三维分层血管支架的成形系统，包括机架(5)、模具系统(Ⅰ)、水凝胶灌注系统(Ⅱ)、牺牲材料打印系统(Ⅲ)和计算机控制系统(Ⅳ)，其特征在于：所述模具系统(Ⅰ)安置在机架(5)的底座上；所述水凝胶灌注系统(Ⅱ)活动安装在机架(5)上，使其中的一个注射器针头(34)接通模具系统(I)的一个模具入口导管(24)；所述牺牲材料打印系统(Ⅲ)安装在机架(5)上而联接带动水凝胶灌注系统(Ⅱ)活动移位；所述计算机控制系统(Ⅳ)电连接，控制牺牲材料打印系统(Ⅲ)中的一个三维运动机构(31)的三维移动和一个注射器活塞筒体(34)进行牺牲材料的挤出。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述的模具系统(Ⅰ)包括模具1(11)、模具2(12)、模具3(13)、模具4(14)和模具5(15)；模具1(11)两端的入口和出口分别与入口导管(24)和出口导管(25)相连；在灌注水凝胶的过程中，模具2(12)、模具3(13)、模具4(14)和模具5(15)凸起或凹下的路径分别与模具1(11)凹下的路径相配合。

所述的水凝胶灌注系统(Ⅱ)由微量泵控制器(21)、微量泵执行机构甲(22)、注射器活塞筒体(23)、入口导管(24)和出口导管(25)组成；注射器活塞筒体(23)安装在微量泵执行机构甲(22)上并通过紧定螺栓固定，微量泵执行机构甲(22)在微量泵控制器(21)的驱动下，推动注射器活塞筒体(23)进行水凝胶的挤出，注射器活塞筒体(23)出口与入口导管(24)相连接，入口导管(24)插入模具1(11)的入口，水凝胶溶液从出口导管(25)流出。

所述的牺牲材料打印系统(Ⅲ)由三维运动机构(31)、微量泵执行机构乙(32)、注射器活塞筒体(33)、注射器针头(34)和微量泵控制器(35)组成，所述注射器针头(34)安装在注射器活塞筒体(33)上，注射器活塞筒体(33)安装在微量泵执行机构乙(32)上并通过紧定螺栓固定，微量泵执行机构乙(32)安装在三维运动机构(31)上，随三维运动机构(31)进行运动，微量泵执行机构乙(32)在微量泵控制器(35)的驱动下，推动注射器活塞筒体(33)进行牺牲材料的挤出，三维运动机构(31)在计算机系统(4)的驱动下进行运动。

所述的计算机控制系统(Ⅳ)包括一个计算机系统(4)联接一个控制系统，控制系统联接三维运动机构(31)的电机。

实施例三：

本分叉结构三维分层血管支架的成形方法，采用上述系统进行操作，操作步骤如下：

1)成形血管支架外层的下半层：将模具1和模具2合并在一起，使各自的管道轴线重合。合模之后，将水凝胶溶液通过注射器从模具1一侧的入口导管注入，直至溶液从模具1另一侧的出口导管流出为止，待水凝胶溶液凝胶化之后，取下模具2，可得到血管支架外层的下半层结构；

2)成形血管支架内层的下半层：将模具1和模具3合并在一起，使各自的管道轴线重合。合模之后，将水凝胶溶液通过注射器从模具1一侧的入口导管注入，直至溶液从模具1另一侧的出口导管流出为止，待水凝胶溶液凝胶化之后，取下模具3，可得到血管支架内层的下半层结构；

3)牺牲材料的打印：将装有普朗尼克F127材料的注射器固定在微量泵上，微量泵固定在三维运动平台上，计算机控制系统控制三维运动平台按照设计的路径进行运动，注射器在微量泵的驱动下实现牺牲材料的打印。

4)成形血管支架内层的上半层：将模具1和模具4合并在一起，使各自的管道轴线重合。合模之后，将水凝胶溶液通过注射器从模具1一侧的入口导管注入，直至溶液从模具1另一侧的出口导管流出为止，待水凝胶溶液凝胶化之后，取下模具4，可得到血管支架内层的上半层结构；

5)成形血管支架外层的上半层：将模具1和模具5合并在一起，使各自的管道轴线重合。合模之后，将水凝胶溶液通过注射器从模具1一侧的入口导管注入，直至溶液从模具1另一侧的出口导管流出为止，待水凝胶溶液凝胶化之后，取下模具5，可得到血管支架外层的上半层结构；

6)牺牲材料的去除：降低系统环境温度使普朗尼克F127材料液化流出，从而形成中空的管道结构。将支架从模具1取下，即可得到具有分叉结构的三维分层血管支架。

实施例四：

参见图5，利用上述系统，制备一款具有分叉结构的三维分层血管支架的方法，操作步骤如下：

1)模具系统的制造：首先通过三维建模软件进行模具模型的设计，生成相应的5个模具的设计模型，将模型转换为STL格式的文件后，输入到3D打印机中进行模具的打印。所用的模具材料为ABS塑料，最后得到的5个模具如图1所示。

2)试验材料：灌注血管支架外层所用的水凝胶材料为明胶(化学纯CP，分子量[9000-70-8]，国药)：将明胶溶于水，配成质量分数为10％的溶液；灌注血管支架内层所用的水凝胶材料为海藻酸钠(化学纯CP，分子量[9005-38-3]，国药)：将海藻酸钠溶于去离子水，配制成质量分数为5％的溶液；牺牲材料使用普朗尼克F127(化学纯，分子量[9003-11-6]，国药)：将普朗尼克F127溶于去离子水，配制成质量分数为30％的溶液。

3)成形血管支架外层的下半层：将配好的明胶溶液装入注射器活塞筒体(23)，固定到微量泵执行机构甲(22)上，并将注射器活塞筒体(23)出口与入口导管(24)连接，将模具1(11)和模具2(12)合并在一起，使各自的管道轴线重合。合模之后，设定微量泵控制器(21)的供料流量为6mL/min，微量泵控制器(21)驱动微量泵执行机构甲(22)，推动注射器活塞筒体(23)将明胶溶液从模具1(11)一侧的入口导管(24)注入，直至溶液从模具1(11)另一侧的出口导管(25)流出为止，待明胶溶液凝胶化之后，取下模具2(12)，可得到血管支架外层的下半层结构；

4)成形血管支架内层的下半层：将配好的海藻酸钠溶液装入注射器活塞筒体(23)，固定到微量泵执行机构甲(22)上，并将注射器活塞筒体(23)出口与入口导管(24)连接，将模具1(11)和模具3(13)合并在一起，使各自的管道轴线重合。合模之后，设定微量泵控制器(21)的供料流量为5mL/min，微量泵控制器(21)驱动微量泵执行机构甲(22)，推动注射器活塞筒体(23)将海藻酸钠溶液从模具1(11)一侧的入口导管(24)注入，直至溶液从模具1(11)另一侧的出口导管(25)流出为止，待海藻酸钠溶液凝胶化之后，取下模具3(13)，可得到血管支架内层的下半层结构；

5)牺牲材料的打印：将配好的普朗尼克F127材料装入注射器活塞筒体(33)，固定到微量泵执行机构乙(32)上，微量泵执行机构乙(32)固定在三维运动平台(31)上，计算机控制系统(Ⅳ)将打印路径的G代码传输到三维运动平台(31)中，控制三维运动平台(31)的电机，使其按照设计的打印路径进行运动，设定三维运动平台(31)平移的速度为8mm/s，设定微量泵控制器(35)的供料流量为534μL/min，微量泵控制器(35)驱动微量泵执行机构乙(32)，推动注射器活塞筒体(33)将普朗尼克F127材料挤出。

6)成形血管支架内层的上半层：将配好的海藻酸钠溶液装入注射器活塞筒体(23)，固定到微量泵执行机构甲(22)上，并将注射器活塞筒体(23)出口与入口导管(24)连接，将模具1(11)和模具4(14)合并在一起，使各自的管道轴线重合。合模之后，设定微量泵控制器(21)的供料流量为5mL/min，微量泵控制器(21)驱动微量泵执行机构甲(22)，推动注射器活塞筒体(23)将海藻酸钠溶液从模具1(11)一侧的入口导管(24)注入，直至溶液从模具1(11)另一侧的出口导管(25)流出为止，待海藻酸钠溶液凝胶化之后，取下模具4(14)，可得到血管支架内层的上半层结构；

7)成形血管支架外层的上半层：将配好的明胶溶液装入注射器活塞筒体(23)，固定到微量泵执行机构甲(22)上，并将注射器活塞筒体(23)出口与入口导管(24)连接，将模具1(11)和模具5(15)合并在一起，使各自的管道轴线重合。合模之后，设定微量泵控制器(21)的供料流量为6mL/min，微量泵控制器(21)驱动微量泵执行机构甲(22)，推动注射器活塞筒体(23)将明胶溶液从模具1(11)一侧的入口导管(24)注入，直至溶液从模具1(11)另一侧的出口导管(25)流出为止，待明胶溶液凝胶化之后，取下模具5(12)，可得到血管支架外层的上半层结构；

8)牺牲材料的去除：将系统置于10℃的环境中10min，使普朗尼克F127材料液化流出，从而形成中空的管道结构。将支架从模具1(11)取下，即可得到分叉结构三维分层血管支架。