一种个性化3D打印半月板再生支架

一种个性化3d打印半月板再生支架
技术领域
1.本实用新型涉及医疗假体技术领域，具体地说是一种个性化3d打印半月板再生支架。


背景技术：

2.半月板是位于股骨髁与胫骨平台软骨间的半月形纤维软骨组织，在膝关节中发挥着缓冲减压、吸收震荡、润滑关节、维持关节稳定等功能，而其外侧1/3区域接受来源于关节囊及滑膜的血液供应，称为“红区”，内侧2/3区域缺乏血供，仅通过关节液渗透提供营养，称为“白区”。
3.随着目前参与运动的人数不断增加，半月板损伤发病率也在相应增加。半月板损伤后可明显影响其功能的发挥，轻者表现为无症状或轻度关节疼痛，重者表现为严重的关节疼痛、关节绞索、活动受限，甚至造成继发性的软骨退变，严重影响患者生活质量。半月板红区含有丰富的血供，自我愈合能力较强，因此，临床上针对“红区”的撕裂通常采取关节镜下缝合修复的方式进行治疗。但是，大部分的半月板损伤都是发生在缺乏血供且愈合能力差的“白区”，针对半月板白区的损伤，关节镜下手术切除损伤游离缘成为主要治疗手段。因此，半月板切除术仍是目前针对半月板损伤治疗的主要手段。然而，半月板切除造成膝关节上、下软骨间失去半月板缓冲垫的作用，导致软骨应力显著增加，从而加速软骨退变，最终引起创伤性骨性关节炎。因此，如何促进半月板再生成为运动医学领域研究的热点和难点。
4.近年来，组织工程技术已被用于促进不同组织的再生与修复，并且已取得重大进展，例如软骨、神经再生。同时，来自不同国家的科学家尝试利用组织工程技术构建天然半月板。目前，组织工程半月板的构建主要使用高分子材料或天然材料(如聚己内酯，pcl、丝素蛋白等)制作类似于半月板形状的支架，结合种子细胞(如骨髓间充质干细胞、或半月板细胞等)，随后再添加生长因子(如转化生长因子β，tgf-β、结缔组织生长因子，ctgf)促进细胞生长、分化及胶原基质合成。但是，前期研究制作的支架多未按照原始半月板形状1：1还原，在形状上与天然半月板仍存在一定差异，从而无法与底部的胫骨平台及上方的股骨髁匹配，造成半月板支架易脱位，或造成应力分布不均等，最终影响半月板再生。并且，不同生长因子具有促进细胞产生不同表型，分泌不同成分的作用，然而，在前期研究中，种子细胞及生长因子多均匀分布于整个支架，最终导致再生的半月板组织在胶原组成、细胞表型上较为单一，与天然半月板的异质性分布相差较大，无法满足天然半月板的功能。最终导致再生的组织工程半月板与天然半月板在胶原组成或分布上仍存在很大差异，或者再生的半月板组织软骨保护作用较差。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种个性化3d打印半月板再生支架，目的是至少克服上述一种技术缺陷，以制备与胫骨平台及股骨髁匹配的半月支架，避免半月板支架脱位或应力分布不均。
6.为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了如下技术方案：
7.个性化3d打印半月板再生支架，包括一由若干个从下至上层层相叠的框架结构构成的支架本体，且所述框架结构内设多孔结构；每个所述框架结构由外侧1/3区的“红区”、内侧2/3区的“白区”构成。
8.优选地，“白区”内填充有物质a、“红区”内填充有物质b；
9.其中，物质a由琼脂糖水凝胶包载转化生长因子β3、结缔组织生长因子、滑膜间充质干细胞构成；物质b由明胶水凝胶包载结缔组织生长因子、滑膜间充质干细胞构成。
10.进一步优选地，物质a、物质b均呈“十字”型填充于所述多孔结构的孔隙中。
11.优选地，所述框架结构的材料为聚己内酯、聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的一种。
12.优选地，所述支架本体为外高内低的楔形结构。
13.本实用新型的一种个性化3d打印半月板再生支架，其优点是：
14.1、本实用新型为外高内低的楔形结构，半月板再生支架的内部结构排列与天然半月板胶原纤维排列极为相似，可有效加强其植入后的再生与修复功能；
15.2、本实用新型方中“红区”、“白区”基质成分的异质分布，使得构建的半月板再生支架进一步加强其植入后的再生与修复功能；
16.3、本实用新型制备的半月板再生支架结构及其贴近半月板生物解剖结构，并且植入后可与其底部的胫骨平台及上方的股骨髁匹配，避免脱位及应力分布不均，从而加强植入后的再生与修复作用。
附图说明
17.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
18.图1、图2分别为本实用新型半月板再生支架的不同视角结构示意图；
19.图3为半月板再生支架纵切面的部分结构示意图，其中的多孔结构、以及填充物未设置；
20.其中：
21.支架本体1、框架结构11、多孔结构2、“红区”3、“白区”4、“十字”型结构5。
具体实施方式
22.以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
23.需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
24.如图1-图3所示，本实用新型提供一种个性化3d打印半月板再生支架，其特征在于：包括一由若干个从下至上层层相叠的框架结构11构成的支架本体1，且所述框架结构11内设多孔结构2；每个所述框架结构11由外侧1/3区的“红区”3、内侧2/3区的“白区”4构成。
25.具体制备过程如下所示：
26.制备支架模型并设置用于支撑支架模型的支撑结构模型；在生物3d打印机上设置高温打印头、低温打印头以及内部结构打印设计的工作参数；高温打印头中的挤出料与低温打印头中的挤出料混合打印，并且以半月板再生支架内侧2/3区设为“白区”、外侧1/3区设为“红区”的分区打印方式构建半月板再生支架。
27.工作原理为：
28.利用生物3d打印技术，1:1构建原始半月板形状的支架，同时为使得制备的支架植入后可与其底部的胫骨平台及上方的股骨髁匹配，在制备过程中设置支撑结构模型，最终再生出类天然半月板组织，分为高、低温分区(“白区”、“红区”)打印以及层切方式打印；
29.另外，通过分区、分层设计使制备的半月板再生支架最大程度上还原了半月板的生态解剖结构，提高其植入后的再生作用。
30.更具体地，“白区”3内填充有物质a、“红区”4内填充有物质b；其中，物质a由琼脂糖水凝胶包载转化生长因子β3、结缔组织生长因子、滑膜间充质干细胞构成；物质b由明胶水凝胶包载结缔组织生长因子、滑膜间充质干细胞构成；高温打印头用于打印半月板再生支架的框架结构，所述框架结构所使用的材料为聚己内酯、聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的一种；其中所述框架结构与半月板再生支架外形相同，且所述框架结构内为多孔结构；
31.优选地，聚己内酯可为分子量为43000-50000的聚己内酯，或分子量为80000的聚己内酯。所述支架本体1为外高内低的楔形结构，且其底部与胫骨平台匹配，即所述支架本体1从外至内的高度逐渐降低；使其植入后与其底部的胫骨平台及上方的股骨髁匹配，避免脱位及应力分布不均，从而加强植入后的再生与修复作用。
32.上述技术方案的有益效果为：
33.高温打印头中使用聚己内酯材料打印框架结构，因该材料具有较好的生物相容性，可降解性，并且降解产物为二氧化碳和水，无毒副作用。且聚己内酯具有优异的力学性能，弹性模量与天然半月板接近，从而发挥良好的力学支撑作用。并且，本实用新型中打印的聚己内酯半月板支架为多孔结构，可促进组织长入。
34.而选择滑膜间充质干细胞作为种子细胞：因其可促进半月板损伤修复。
35.生长因子具有促进干细胞分化的功能，不同生长因子可促进干细胞产生不同的表型，分泌不同的基质成分。例如，转化生长因子β3(tgfβ3)可促进干细胞产生软骨样表型，分泌大量二型胶原蛋白，及粘多糖，并且二型胶原蛋白是半月板“白区”含量较为丰富的胶原成分，粘多糖大量分布于天然半月板“白区”，且仅分布于“白区”；结缔组织生长因子(ctgf)可促进干细胞产生纤维细胞样表型，分泌大量一型胶原蛋白，一型胶原蛋白是整个半月板含量最为丰富的胶原成分。因此，为了实现组织工程半月板在组成成分上的异质性分布，本实用新型将转化生长因子β3及结缔组织生长因子结合滑膜间充质干细胞分布于组织工程半月板支架“白区”部分，其中，转化生长因子β3及结缔组织生长因子可促进滑膜间充质干细胞同时分泌二型胶原蛋白、粘多糖及一型胶原蛋白，与天然半月板“白区”组成一致；其
次，将结缔组织生长因子结合滑膜间充质干细胞分布于组织工程半月板支架“红区”部分，其中，结缔组织生长因子可促进滑膜间充质干细胞分泌一型胶原蛋白，与天然半月板“红区”组成一致。
36.水凝胶作为种子细胞及生长因子的载体，填充于聚己内酯半月板支架中。半月板不同区域细胞的形态存在差异，其中，半月板“白区”的细胞表现为圆球形，而“红区”的细胞表现为长梭形。因此，为了维持不同区域细胞形态的差异性，本实用新型采用琼脂糖水凝胶包载转化生长因子β3、结缔组织生长因子、滑膜间充质干细胞分布于组织工程半月板支架“白区”部分，其中，琼脂糖由于缺乏细胞黏附位点，细胞表现为圆球形；采用明胶水凝胶包载结缔组织生长因子、滑膜间充质干细胞分布于组织工程半月板支架“红区”部分，其中，明胶含有大量细胞黏附位点，可促进细胞伸展，细胞表现为梭形。
37.可根据需求，改变打印线条的直径，设计不同的内部打印线条间隙，例如，曲线、蜂窝状等。
38.在更进一步地实施操作中：
39.物质a、物质b均呈“十字”型填充于所述多孔结构2的孔隙中。即填充的“十字”型结构参见图中标号5所示(如图3所示)。
40.上述技术方案的有益效果为：
41.仿照半月板内部结构，最大程度上分散膝关节对半月板施加的压力，并且使半月板不会有太大形变；同时，起到束缚环向纤维的作用，使得本实用新型结构植入后，在受到挤压后不会外突太明显。
42.本实用新型中使用转化生长因子β3和结缔组织生长因子共同处理滑膜干细胞，有利于半月板内侧“白区”成分的构建，使用结缔组织生长因子处理滑膜干细胞，有利于半月板外侧“红区”成分的构建。
43.本实用新型中未详细说明的步骤及结构等均为本领域技术人员根据常规技术手段可获得的，因此不做赘述。
44.显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。