本發(fā)明屬于3d打印技術(shù)和組織工程領(lǐng)域，涉及一種人工肌肉支架模型以及其制備裝置和方法。

背景技術(shù)：

組織工程是近年來興起的一門將生物醫(yī)學(xué)和工程學(xué)結(jié)合起來的交叉學(xué)科，它的核心是構(gòu)造由細(xì)胞和生物相容性材料結(jié)合而成的復(fù)合體，后將其應(yīng)用于損傷組織、器官的修復(fù)，以恢復(fù)其功能。3d打印技術(shù)是通過材料累加的方式進(jìn)行加工制造，相較于傳統(tǒng)的加工方式，3d打印技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造上擁有較大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)兼具精準(zhǔn)的控制性，它的快速發(fā)展為組織工程提供了一種全新的途徑，已在生物醫(yī)療領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

人工肌肉支架的研究目的主要為將其用于大塊肌肉組織缺損的修復(fù)，以恢復(fù)肌肉組織的功能；對(duì)于骨骼肌細(xì)胞，在體外實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)中，要使其生長(zhǎng)分化為人工肌肉組織，需將其按照一定的結(jié)構(gòu)排列起來，如線性結(jié)構(gòu)，并要求線寬在50～200μm范圍內(nèi)。

在現(xiàn)有技術(shù)中，人工肌肉組織的制造主要由兩種方式:一是用微納加工的方法，在硅片上刻蝕出大小相等線性排列的凹槽，隨后將骨骼肌細(xì)胞種植到加工好的硅片上，進(jìn)行體外培養(yǎng)，從而得到人工肌肉組織；另一種方法是利用靜電紡絲等技術(shù)制得纖維定向排布的無紡布，將骨骼肌細(xì)胞細(xì)胞種植于此無紡布上，誘導(dǎo)分化為人工肌肉組織，從而得到人工肌肉支架。

對(duì)于上述兩種制造方法，均是通過種植肌肉細(xì)胞的方式來得到人工肌肉組織，用此種方法，容易出現(xiàn)細(xì)胞在硅片或無紡布上分布不均勻的問題，因而難以控制骨骼肌細(xì)胞的排列和人工肌肉三維組織結(jié)構(gòu)，從而較難滿足細(xì)胞分化的要求，與此同時(shí)，相較于直接打印，種植過程也較為繁瑣。

3d打印在組織工程上的應(yīng)用為人工肌肉組織的制造提供了新的方法，現(xiàn)應(yīng)用較多的為擠壓打印和噴墨打印，前者能夠通過材料累積的方式獲得大塊人造組織，但由于在打印過程中，材料的擠壓會(huì)形成較大剪切力，影響細(xì)胞存活率，且打印精度較低，后者雖有細(xì)胞存活率較高、打印精度高的優(yōu)勢(shì)，但難以形成三維結(jié)構(gòu)，無法得到大塊人造組織。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種人工肌肉支架模型以及其制備裝置和方法，該制備裝置和方法制備得到的人工肌肉支架模型中細(xì)胞排布均勻，細(xì)胞的存活率高，并且打印精度高。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的人工肌肉支架模型包括下層支架、上層支架及細(xì)胞束層，細(xì)胞束層、上層支架及下層支架及自上到下依次分布。

所述細(xì)胞束層由若干線性排列的細(xì)胞束組成。

下層支架為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，上層支架為板狀結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明所述的人工肌肉支架模型的制造裝置包括計(jì)算機(jī)、第一供料系統(tǒng)、第二供料系統(tǒng)、微滴打印頭、擠壓打印頭、打印平臺(tái)以及用于帶動(dòng)微滴打印頭及擠壓打印頭移動(dòng)的三維移動(dòng)平臺(tái)，其中，第一供料系統(tǒng)與擠壓打印頭相連通，第二供料系統(tǒng)與微滴打印頭相連通，且擠壓打印頭及微滴打印頭均位于打印平臺(tái)的正上方，計(jì)算機(jī)與三維移動(dòng)平臺(tái)的控制端、第一供料系統(tǒng)的控制端及第二供料系統(tǒng)的控制端相連接。

本發(fā)明所述的人工肌肉支架模型的制造方法包括以下步驟：

1)繪制待打印人工肌肉支架模型的三維模型，然后將待打印人工肌肉支架模型的三維模型輸入至計(jì)算機(jī)中；

2)獲取明膠-海藻酸鈉混合水凝膠、交聯(lián)劑及骨骼肌細(xì)胞懸液，再將明膠-海藻酸鈉混合水凝膠裝入第一供料系統(tǒng)中，將骨骼肌細(xì)胞懸液裝入第二供料系統(tǒng)中；

3)計(jì)算機(jī)控制第一供料系統(tǒng)，使第一供料系統(tǒng)中的明膠-海藻酸鈉混合水凝膠經(jīng)擠壓打印頭均勻擠出至打印平臺(tái)上，同時(shí)計(jì)算機(jī)根據(jù)待打印人工肌肉支架模型的三維模型控制擠壓打印頭移動(dòng)，完成上層支架及下層支架的打?。?/p>

4)將交聯(lián)劑滴加至上層支架及下層支架上，使明膠-海藻酸鈉混合水凝膠中的海藻酸鈉與交聯(lián)劑發(fā)生交聯(lián)，進(jìn)而使上層支架及下層支架固化；

5)計(jì)算機(jī)控制第二供料系統(tǒng)，使第二供料系統(tǒng)中的骨骼肌細(xì)胞懸液經(jīng)微滴打印頭掉落到上層支架上，同時(shí)計(jì)算機(jī)根據(jù)待打印人工肌肉支架模型的三維模型控制微滴打印頭移動(dòng)，完成細(xì)胞束層的打印，得人工肌肉支架模型胚體；

6)將步驟5)得到的人工肌肉支架模型胚體放置到培養(yǎng)箱中進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，得人工肌肉支架模型。

培養(yǎng)箱中的溫度為37℃，培養(yǎng)箱內(nèi)空氣中二氧化碳的體積百分?jǐn)?shù)為5％。

還包括：稱取明膠顆粒及海藻酸鈉，其中，取明膠顆粒與海藻酸鈉的質(zhì)量比為1:1.2，然后再在40℃的條件下將明膠顆粒加入到dpbs緩沖液中，再用磁力攪拌器以200r/min的轉(zhuǎn)速攪拌，待明膠顆粒完成溶解后再加入海藻酸鈉，得明膠-海藻酸鈉混合水凝膠，其中，明膠-海藻酸鈉混合水凝膠中明膠的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為5％；明膠-海藻酸鈉混合水凝膠中海藻酸鈉的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為6％。

交聯(lián)劑為質(zhì)量百分濃度為4％的氯化鈣溶液。

還包括：配制質(zhì)量百分濃度為10％的明膠溶液，并用針筒式濾膜過濾器過濾所述明膠溶液，再在濾液中加入細(xì)胞c2c12，然后再吹打均勻，得骨骼肌細(xì)胞懸液，其中，骨骼肌細(xì)胞懸液中細(xì)胞的密度為1x10⁶/ml。

所述擠壓打印頭的噴嘴為點(diǎn)膠針頭，其中，點(diǎn)膠針頭的直徑為160μm～1.2mm，打印過程中點(diǎn)膠針頭的移動(dòng)速度為5mm/s～15mm/s，第一供料系統(tǒng)中明膠-海藻酸鈉混合水凝膠的供給速率為500μl/min～2ml/min，打印過程中的溫度為37℃。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明所述的人工肌肉支架模型以及其制備裝置和方法在具體操作時(shí)，采用擠壓打印方式與微滴打印方式相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)人工肌肉支架模型的打印，具體的，在制備時(shí)，采用擠壓打印方式通過材料的累加分別打印出上層支架及下層支架，然后再采用微滴打印方式精確控制細(xì)胞排布及人工肌肉三維組織結(jié)構(gòu)完成細(xì)胞束層的打印，從而使制造得到的人工肌肉支架模型中細(xì)胞排布均勻，且細(xì)胞的存活率高，并且打印精度較高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中人工肌肉支架模型的主視圖；

圖2為本發(fā)明中人工肌肉支架模型的側(cè)視圖；

圖3為本發(fā)明中人工肌肉支架模型的仰視圖；

圖4為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1為細(xì)胞束層、2為上層支架、3為下層支架、4為明膠-海藻酸鈉混合水凝膠、5為骨骼肌細(xì)胞懸液、6為微滴打印頭、7為擠壓打印頭、8為第二供料系統(tǒng)、9為打印平臺(tái)、10為第一供料系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參考圖1，本發(fā)明所述的人工肌肉支架模型包括下層支架3、上層支架2及細(xì)胞束層1，細(xì)胞束層1、上層支架2及下層支架3及自上到下依次分布；所述細(xì)胞束層1由若干線性排列的細(xì)胞束組成；下層支架3為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，上層支架2為板狀結(jié)構(gòu)，細(xì)胞束的線寬為50～200μm。

本發(fā)明所述的人工肌肉支架模型的制造裝置包括計(jì)算機(jī)、第一供料系統(tǒng)10、第二供料系統(tǒng)8、微滴打印頭6、擠壓打印頭7、打印平臺(tái)9以及用于帶動(dòng)微滴打印頭6及擠壓打印頭7移動(dòng)的三維移動(dòng)平臺(tái)，其中，第一供料系統(tǒng)10與擠壓打印頭7相連通，第二供料系統(tǒng)8與微滴打印頭6相連通，且擠壓打印頭7及微滴打印頭6均位于打印平臺(tái)9的正上方，計(jì)算機(jī)與三維移動(dòng)平臺(tái)的控制端、第一供料系統(tǒng)10的控制端及第二供料系統(tǒng)8的控制端相連接。

本發(fā)明所述的人工肌肉支架模型的制造方法包括以下步驟：

1)繪制待打印人工肌肉支架模型的三維模型，然后將待打印人工肌肉支架模型的三維模型輸入至計(jì)算機(jī)中；

2)獲取明膠-海藻酸鈉混合水凝膠4、交聯(lián)劑及骨骼肌細(xì)胞懸液5，再將明膠-海藻酸鈉混合水凝膠4裝入第一供料系統(tǒng)10中，將骨骼肌細(xì)胞懸液5裝入第二供料系統(tǒng)8中；

3)計(jì)算機(jī)控制第一供料系統(tǒng)10，使第一供料系統(tǒng)10中的明膠-海藻酸鈉混合水凝膠4經(jīng)擠壓打印頭7均勻擠出至打印平臺(tái)9上，同時(shí)計(jì)算機(jī)根據(jù)待打印人工肌肉支架模型的三維模型控制擠壓打印頭7移動(dòng)，完成上層支架2及下層支架3的打?。?/p>

4)將交聯(lián)劑滴加至上層支架2及下層支架3上，使明膠-海藻酸鈉混合水凝膠4中的海藻酸鈉與交聯(lián)劑發(fā)生交聯(lián)，進(jìn)而使上層支架2及下層支架3固化；

5)計(jì)算機(jī)控制第二供料系統(tǒng)8，使第二供料系統(tǒng)8中的骨骼肌細(xì)胞懸液5經(jīng)微滴打印頭6掉落到上層支架2上，同時(shí)計(jì)算機(jī)根據(jù)待打印人工肌肉支架模型的三維模型控制微滴打印頭6移動(dòng)，完成細(xì)胞束層1的打印，得人工肌肉支架模型胚體；

6)將步驟5)得到的人工肌肉支架模型胚體放置到培養(yǎng)箱中進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，得人工肌肉支架模型。

培養(yǎng)箱中的溫度為37℃，培養(yǎng)箱內(nèi)空氣中二氧化碳的體積百分?jǐn)?shù)為5％。

還包括：稱取明膠顆粒及海藻酸鈉，其中，取明膠顆粒與海藻酸鈉的質(zhì)量比為1:1.2，然后再在40℃的條件下將明膠顆粒加入到dpbs緩沖液中，再用磁力攪拌器以200r/min的轉(zhuǎn)速攪拌，待明膠顆粒完成溶解后再加入海藻酸鈉，得明膠-海藻酸鈉混合水凝膠4，其中，明膠-海藻酸鈉混合水凝膠4中明膠的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為5％；明膠-海藻酸鈉混合水凝膠4中海藻酸鈉的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為6％。

交聯(lián)劑為質(zhì)量百分濃度為4％的氯化鈣溶液。

還包括：配制質(zhì)量百分濃度為10％的明膠溶液，并用針筒式濾膜過濾器過濾所述明膠溶液，再在濾液中加入細(xì)胞c2c12，然后再吹打均勻，得骨骼肌細(xì)胞懸液5，其中，骨骼肌細(xì)胞懸液5中細(xì)胞的密度為1x10⁶/ml。

所述擠壓打印頭7的噴嘴為點(diǎn)膠針頭，其中，點(diǎn)膠針頭的直徑為160μm～1.2mm，打印過程中點(diǎn)膠針頭的移動(dòng)速度為5mm/s～15mm/s，第一供料系統(tǒng)10中明膠-海藻酸鈉混合水凝膠4的供給速率為500μl/min～2ml/min，打印過程中的溫度為37℃。