一种基于3D打印和静电纺丝技术的复层组织工程气管支架的设计及应用的制作方法

本发明涉及生物医学工程技术领域，具体地说，是一种基于3d打印和静电纺丝技术的复层组织工程气管支架的设计及应用。

背景技术：

临床上，长段气管缺损治疗手段有限，组织工程气管可为长段气管重建提供合适的材料。气管是一种由透明软骨、上皮组织、结缔组织等构成的复杂器官，其中软骨环起支撑作用，上皮组织起清洁及防御功能，结缔组织为上皮组织的生长提供附着位点和营养供应。基于气管的这种解剖和生理特点，构建具备完整结构与功能的组织工程气管非常有必要。近年来，已有相关报道应用3d打印技术，制备出仿生的组织工程气管，并初步应用于动物实验。

已报道的组织工程支架多为单层结构，表面能种植软骨细胞，仅能为气管软骨的再生提供合适的支撑结构，且大部分支架由理化性质单一的材料制作而成。这样的支架，结构及特性简单，能够保证筒状软骨组织的再生，但由于未能种植纤毛柱状上皮细胞，故移植术后早期没有上皮细胞的清洁及保护作用，易导致痰液积聚，进而诱发呼吸道感染和炎性肉芽组织增生，影响组织工程气管的远期移植效果。

中国专利文献：cn201520576837.0，申请日2015.08.04，专利名称为：一种气管支架和组织工程气管。公开了一种气管支架。所述的气管支架设有支撑环和支撑连杆，各个所述的支撑环为c型，且各个支撑环由支撑连杆串联连接，从而使得各个支撑环和支撑连杆固定成一体。本实用新型还提供了一种组织工程气管，它是在所述的气管支架的外表面包绕细胞-生物可降解材料复合膜制成。应用本实用新型的气管支架或组织工程气管，可通过气管外支撑悬吊法修复气管狭窄，并在植入后形成新的c型软骨环，最终使之具有可生长潜能。

中国专利文献：cn201610379873.7，申请日2016.06.01，专利名称为：气管支架及采用该气管支架的组织工程气管及其应用。公开了一种气管支架及采用该气管支架的组织工程气管及其应用。所述气管支架包括多个间隔设置的支撑环，相邻所述支撑环之间设置有中空的网状的支撑件。本发明的优点在于，本发明的气管支架具备良好支撑能力，可在两周内形成较好的软骨(使用染色手段鉴定)，可直接用于移植，而现有技术中报道的支架一般需要至少两个月的时间才可以进行移植；并且现有技术中的气管支架先是体外培养，然后动物皮下预移植，然后再取出进行移植，而本发明气管支架在两周内形成较好的软骨即可进行移植，不需要进行动物皮下预移植。

上述专利文献cn201520576837.0中的一种气管支架和组织工程气管，采用支撑连杆串联各个c型支撑环形成一体的气管支架，在所述气管支架表面包绕可降解复合材料形成一种组织工程气管；而专利文献cn201610379873.7中的气管支架及采用该气管支架的组织工程气管及其应用，采用多个间隔设置的支撑环之间设置有中空的网状的支撑件，从而具备良好的支撑能力，可在较多时间内形成较好的软骨，且可直接进行移植，不需要进行动物皮下预移植。但是关于一种通过结合3d打印技术及静电纺丝技术，联合应用多种材料，构建复层组织工程气管，使支架具有足够力学支撑的同时具有一定程度的弹性，并且为具有软骨组织、结缔组织和上皮组织的高度仿生组织工程气管的再生，提供理想的材料，并有望显著改善组织工程气管的移植后宿主存活状况的一种基于3d打印和静电纺丝技术的复层组织工程气管支架的设计及应用目前则没有相关的报道。

综上所述，亟需一种通过结合3d打印技术及静电纺丝技术，联合应用多种材料，构建复层组织工程气管，使支架具有足够力学支撑的同时具有一定程度的弹性，并且为具有软骨组织、结缔组织和上皮组织的高度仿生组织工程气管的再生，提供理想的材料，并有望显著改善组织工程气管的移植后宿主存活状况的一种基于3d打印和静电纺丝技术的复层组织工程气管支架的设计及应用。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种通过结合3d打印技术及静电纺丝技术，联合应用多种材料，构建复层组织工程气管，使支架具有足够力学支撑的同时具有一定程度的弹性，并且为具有软骨组织、结缔组织和上皮组织的高度仿生组织工程气管的再生，提供理想的材料，并有望显著改善组织工程气管的移植后宿主存活状况的一种基于3d打印和静电纺丝技术的复层组织工程气管支架的设计及应用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于3d打印和静电纺丝技术的复层组织工程气管支架的设计及应用，其特征在于，所述的基于3d打印和静电纺丝技术的复层组织工程气管支架的设计及应用包括外层支架、内层支架、加固环；所述的外层支架呈矩形网格结构，且一端为封闭结构；所述的内层支架呈菱形网格结构，且一端同样为封闭式结构；所述的内层支架对装置于外层支架中，内外两层网格彼此交错，且二者之间设有间隙；所述的间隙中用于放置负载p物质的电纺膜；所述的所述的加固环设于外层支架上。

作为一种优选的技术方案，所述的内层支架横截面由一个直径为5.5mm的圆正中分开25°形成，且正中25°角相对的位置为直线结构。

作为一种优选的技术方案，所述的加固环为多孔加固环，由直径为6.5mm的圆正中分开25°角形成，两端呈“c”形结构，正中25°角相对的位置为直线结构，所述加固环优选为六个，且高度均为1.5mm，每两个加固环之间的间距为1.5mm。

作为一种优选的技术方案，所述的外层支架一端的封闭结构与内层支架一端的封闭结构大小相同，与主体之间均呈帽状结构，且均预留有两个穿线孔。

所述的外层支架一端的封闭结构采用pcl材料封闭，内层支架一端的封闭结构采用plga材料封闭。

作为一种优选的技术方案，所述的外层支架由pdms弹性材料构建而成；内层支架由生物相容性高，降解速度快，并且具有一定弹性的plga材料构建而成。

作为一种优选的技术方案，所述的外层应用pdms弹性材料构建的矩形网格结构支架表面种植软骨细胞，内层应用plga构建菱形网格结构支架表面种植气管上皮干细胞，负载p物质的电纺膜上种植成纤维细胞。

作为一种优选的技术方案，所述的外层结构、内层结构和加固环分别由3d打印技术制成，所述的负载p物质的电纺膜由静电纺丝技术制成。

本发明优点在于：

1、外层支架由pdms弹性材料构建而成，为气管软组织的再生提供支撑；内层支架由plga材料构建，用于为气管上皮干细胞提供生长位点；外层支架与内层支架之间的间隙用于放置负载p物质的电纺膜，p物质能促进成纤维细胞在电纺膜上贴附生长，电纺膜为成纤维细胞的生长提供位点。

2、加固环利用不规则的圆形结构设计，保证内外层支架对装后不会发生旋转，从而保证支撑和治疗效果。

3、结合3d打印技术和静电纺丝技术，联合应用多种材料，构建复层组织工程气管支架，使支架具有足够力学支撑的同时具有一定程度的弹性，并且为具有软骨组织、结缔组织和上皮组织的高度仿生组织工程气管的再生提供理想的材料，并有望显著改善组织工程气管的移植后宿主存活状况。

4、使制备具有符合生理结构的组织工程气管成为可能，并有望大大改善组织工程气管移植后的治疗效果。

5、内层应用plga构建菱形网格结构支架表面种植气管上皮干细胞，可起到很好的清洁及保护作用，有利于痰液的排出，避免呼吸道感染和炎性肉芽组织增生，保证组织工程气管的远期移植效果。

附图说明

附图1是本发明一种基于3d打印和静电纺丝技术的复层组织工程气管支架的设计及应用外层支架的立体结构示意图。

附图2是本发明一种基于3d打印和静电纺丝技术的复层组织工程气管支架的设计及应用内层支架的立体结构及静电纺膜组装示意图。

附图3本发明一种基于3d打印和静电纺丝技术的复层组织工程气管支架的设计及应用内外侧支架彼此交错的平面示意图。

附图4是本发明一种基于3d打印和静电纺丝技术的复层组织工程气管支架的设计及应用加固环的立体结构示意图。

附图5是本发明一种基于3d打印和静电纺丝技术的复层组织工程气管支架的设计及应用加固环装配在外层支架上的示意图。

附图6是本发明一种基于3d打印和静电纺丝技术的复层组织工程气管支架的设计及应用内外支架对装及成熟后的切面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1.外层支架11.穿线孔

2.内层支架3.加固环

4.间隙5.电纺膜

实施例1

请参看附图1，图1是本发明一种基于3d打印和静电纺丝技术的复层组织工程气管支架的设计及应用外层结构的示意图。一种基于3d打印和静电纺丝技术的复层组织工程气管支架的设计及应用。所述的基于3d打印和静电纺丝技术的复层组织工程气管支架的设计及应用包括外层支架1、内层支架2、加固环3；所述的外层支架1呈矩形网格结构，且一端为封闭结构；所述的内层支架2呈菱形网格结构，且一端同样为封闭式结构；所述的内层支架2对装置于外层支架1中，内外两层网格彼此交错，且二者之间设有间隙4；所述的间隙4中用于放置负载p物质的电纺膜5；所述的加固环3由直径为6.5mm的圆正中分开25°角形成，设于外层支架1上。

需要说明的是：所述的外层支架1由pdms弹性材料构建而成，作为组织工程气管支架的外层结构，为气管软组织的再生提供支撑；所述的外层支架1一端的封闭结构采用pcl材料封闭，与外层支架1主体间呈帽状结构，且其上对角位置预留两个穿线孔11；所述的内层支架2由生物相容性高，降解速度快，并且具有一定弹性的plga材料构建，作为组织工程气管支架的内层结构，用于为气管上皮干细胞提供生长位点；所述的内层支架2的横切面由一个直径为5.5mm的圆正中分开25°形成，且正中25°角相对的位置为直线结构；所述的内层支架2一端的封闭结构采用plga材料封闭，与内层支架2主体间同样呈帽状结构，且其对角位置同样预留有两个穿线孔11；所述的外层支架1与内层支架2上的封闭端大小相同；所述的外层支架1与内层支架2之间的间隙为0.5mm，用于放置负载p物质的电纺膜5，p物质能促进成纤维细胞在电纺膜上贴附生长，电纺膜为成纤维细胞的生长提供位点，所种植的成纤维细胞经丝裂霉素预处理，失去增殖能力，作为气管上皮细胞的滋养细胞；所述的设于外层支架1上的加固环3有六个，且高度均为1.5mm，每两个加固环3的间距同样为1.5mm；所述的加固环3为pcl多孔加固环，两端呈“c”形结构，正中25°角相对的位置为直线结构；所述的加固环3利用不规则的圆形结构设计，保证内外层支架对装后不会发生旋转，从而保证支撑和治疗效果。

所述的基于3d打印和静电纺丝技术的复层组织工程气管支架的设计及应用的制备和使用方法：首先通过3d打印技术分别构建外层应用pdms弹性材料构建的矩形网格结构支架、内层应用plga构建菱形网格结构支架以及应用pcl构建的非完全性圆加固环，再通过静电纺丝技术构建负载p物质的电纺膜；外层应用pdms弹性材料构建的矩形网格结构支架表面种植软骨细胞，内层应用plga构建菱形网格结构支架表面种植气管上皮干细胞，负载p物质的电纺膜上种植成纤维细胞，外层应用pdms弹性材料构建的矩形网格结构支架再利用pcl构建的非完全性圆加固环固定；待复层结构分别在体外种植软骨细胞、成纤维细胞和气管上皮干细胞后，先将电纺膜包裹在内层网状结构支架上，再与外层网状结构支架对装组合，采用缝线穿过预留的穿线孔11将上、下两个帽状结构连接，防止分离，包埋在宿主(新西兰兔)颈部胸骨舌骨肌的肌束间进行预血管化；外层支架1和内层支架2组合后形成一个相对密闭的筒状结构，既可以防止组织工程气管体内成熟期间宿主组织长入，又可以为气管上皮干细胞分化单层柱状上皮细胞提供充足的空间；此外，内外双层网格结构的横切面为不规则圆形，可保证对装后不会发生旋转；完成宿主体内预血管化后，分别截掉两端的帽状结构，形成同时具有软骨环结构、筒状的结缔组织和单层气管柱状上皮细胞的完整的仿生组织工程气管，再进行带肌肉蒂一直术，充分保证组织工程气管的血液供应。

本发明通过结合3d打印技术和静电纺丝技术，联合应用多种材料，构建复层组织工程气管支架，使支架具有足够力学支撑的同时具有一定程度的弹性，并且为具有软骨组织、结缔组织和上皮组织的高度仿生组织工程气管的再生提供理想的材料，并有望显著改善组织工程气管的移植后宿主存活状况；使制备具有符合生理结构的组织工程气管成为可能，并有望大大改善组织工程气管移植后的治疗效果；内层应用plga构建菱形网格结构支架表面种植气管上皮干细胞，可起到很好的清洁及保护作用，有利于痰液的排出，避免呼吸道感染和炎性肉芽组织增生，保证组织工程气管的远期移植效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。