三維角膜基質(zhì)支架材料及三維角膜基質(zhì)支架的構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于醫(yī)療器械中植入材料和人工器官技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維角膜基質(zhì)支架材料及采用三維生物打印機(jī)構(gòu)建三維角膜基質(zhì)支架的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]3D打印技術(shù)是一項(xiàng)基于噴射型的快速成型技術(shù)，它首先借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)制備所打印物體的STL電子文檔模型，然后依據(jù)“逐層打印，層層疊加”的原理來打印具有特殊外形或復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物體。其成型過程不受任何幾何形狀的限制，打印位置、打印次數(shù)和打印速度都可以隨意控制，不同的材料可以通過不同噴頭打印，打印的物質(zhì)可以是溶液、懸浮液或乳液，因此，3D打印可以很容易控制局部材料組成、微觀結(jié)構(gòu)以及表面特性。
[0003]人角膜基質(zhì)層占角膜厚度的90%，主要由角膜基質(zhì)細(xì)胞和膠原纖維等細(xì)胞外基質(zhì)成分規(guī)則排列而成，透明且具有一定的曲率半徑，有利于光線通過和折曲，在維持整個角膜的透明度和曲光率等方面具有至關(guān)重要的作用。絕大多數(shù)角膜基質(zhì)病盲患者均可以通過角膜移植手術(shù)來治愈，但由于捐獻(xiàn)角膜的高度匱乏致使絕大部分患者得不到供體角膜而無法復(fù)明。近年來，三維打印技術(shù)在制備組織工程用三維支架方面得到了快速發(fā)展和應(yīng)用，通過控制打印平臺冷凍溫度，在較短時(shí)間內(nèi)使材料分子冷凍成型，尤其是對于一些容易變性的天然生物材料，能使不易成型的天然生物材料液體快速冷凍成型且能夠保留其在溶液中的構(gòu)象以及生物活性，該技術(shù)使構(gòu)建與天然角膜結(jié)構(gòu)類似的角膜基質(zhì)支架的體外重建及其臨床應(yīng)用成為可能，也為角膜基質(zhì)病盲患者重見光明創(chuàng)造了條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，旨在提供一種生物相容性好、力學(xué)性能高的三維角膜基質(zhì)支架材料。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種簡單易于生產(chǎn)化的角膜基質(zhì)支架的制備方法。
[0005]—種三維角膜基質(zhì)支架材料，其組分及重量百分比為:以100%計(jì)，殼聚糖1-5%、膠原5-15%、聚乙烯醇5-15%，余量的水。
[0006]—種采用生物打印系統(tǒng)構(gòu)建三維角膜基質(zhì)支架的方法，包括如下步驟:
(1)建立三維角膜基質(zhì)支架的計(jì)算機(jī)實(shí)體模型，對其進(jìn)行切片分層，得到每層的形狀信息，形成打印文件，每層的厚度是80-120 μπι ;
(2)按配比稱取上述三維角膜基質(zhì)支架材料，依次溶解于水中形成溶液，充分?jǐn)嚢枋垢鹘M分混合均勻；
(3)將配制好的支架材料溶液加入到3D生物打印機(jī)的料筒中，將步驟(I)中的打印文件輸入到3D生物打印機(jī)的配套軟件中，指導(dǎo)3D生物打印機(jī)工作；通過制冷裝置將打印機(jī)平臺溫度控制在0°C以下，打印噴頭在打印平臺上首先在xy軸方向上移動，形成支架的二維平面，打印完一層后，打印噴頭沿ζ軸方向上移，重新打印另一層，如此反復(fù)，逐層堆積成型，直到所打印的支架成型完成；
(4)將打印成型的支架使用交聯(lián)劑進(jìn)行凍干交聯(lián)，然后清洗消毒，得到角膜基質(zhì)支架。
[0007]進(jìn)一步的，所述步驟(I)中實(shí)體模型來源于不同年齡段人體眼球參數(shù)數(shù)據(jù)庫，或患者眼球的CT、UBM三維掃描參數(shù)。
[0008]進(jìn)一步的，所述步驟(2)中三維角膜基質(zhì)支架材料由殼聚糖3%、膠原10%、聚乙稀醇8%，水79%組成，均為重量百分?jǐn)?shù)。
[0009]進(jìn)一步的，所述步驟(3 )中打印平臺的溫度為-200C到-400C。
[0010]進(jìn)一步的，所述步驟(3)中打印噴頭直徑為50-100 μπι。
[0011]進(jìn)一步的，所述步驟(3)中打印機(jī)噴頭在xy軸方向上的移動速度為l_50mm/s。
[0012]進(jìn)一步的，所述步驟(4)中凍干溫度為-40到-60°C。
[0013]進(jìn)一步的，所述步驟(4)中交聯(lián)劑為戊二醛、碳二亞胺、京尼平、原花青素的一種或幾種。
[0014]本發(fā)明的有益效果在于:
(I)本發(fā)明采用低溫冷凍成型技術(shù)，使難成型的天然生物材料可用于生物打印，擴(kuò)大了可用材料的范圍，且由于無需加入成型輔料，增加了材料的安全性和可降解性。(2)本發(fā)明可根據(jù)不同年齡段眼球參數(shù)，或患者CT、UBM三維掃描參數(shù)實(shí)現(xiàn)外形仿真的個體定制，方法簡單，易于操作，可以精確控制支架的形態(tài)和相應(yīng)參數(shù)。
[0015](3)本發(fā)明能根據(jù)患者實(shí)際情況的不同需要，調(diào)整打印參數(shù)，結(jié)合三維打印和冷凍成型技術(shù)的優(yōu)勢，能直接將溶液狀的天然生物材料制備成具有仿真板層結(jié)構(gòu)的角膜基質(zhì)支架，從而實(shí)現(xiàn)個性化定制。
【附圖說明】
[0016]
圖1.本發(fā)明所述步驟(I)中的打印文件；
圖2.本發(fā)明制備的三維角膜基質(zhì)支架外觀表征圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]
下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0018]本發(fā)明公開了一種三維角膜基質(zhì)支架材料，其組分及重量百分比為:以100%計(jì)，殼聚糖1_5%、膠原5-15%、聚乙烯醇5-15%，余量的水。
[0019]膠原是動物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)，也是細(xì)胞外基質(zhì)的重要成分，具有很好的仿生性，具有免疫原性低、組織相容性及親和性好、能促進(jìn)細(xì)胞增殖等優(yōu)點(diǎn)。殼聚糖作為一種天然生物材料，具有良好的生物相容性及引導(dǎo)細(xì)胞爬行的能力，親水性較好，促進(jìn)傷口愈合和吸收效應(yīng)，然而其機(jī)械性能和溶解性能差，且細(xì)胞粘附性低，這些都限制了它的應(yīng)用。膠原、殼聚糖復(fù)合能夠模擬細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境促進(jìn)細(xì)胞黏附增殖。聚乙烯醇作為生物材料具有優(yōu)良的生物相容性，柔韌性好，抗張強(qiáng)度較高，有適當(dāng)?shù)奈鼭裥院屯笣裥?，由聚乙烯醇制備的水凝膠在眼科方面的用途十分廣泛，本發(fā)明將殼聚糖、膠原與聚乙烯醇配合使用，可顯著提高支架的生物力學(xué)性能，有利于細(xì)胞黏附增殖，最終可降解吸收，屬于生物型的人工角膜替代物，且打印體系中不含光引發(fā)劑，生物相容性更好。
[0020]本發(fā)明使用三維生物打印系統(tǒng)，采用上述支架材料，構(gòu)建三維角膜基質(zhì)支架的過程包括如下步驟:
(1)根據(jù)患者眼球參數(shù)建立三維角膜基質(zhì)支架的計(jì)算機(jī)實(shí)體模型，對其進(jìn)行切片分層，得到每層的形狀信息，形成CT格式或MRI掃描格式的打印文件，每層的厚度是80-120 μ m，如圖1所示；本發(fā)明對三維角膜基質(zhì)支架的計(jì)算機(jī)實(shí)體模型進(jìn)行分層處理，內(nèi)部結(jié)構(gòu)層狀有序，與天然角膜基質(zhì)層的板層結(jié)構(gòu)類似，精度高，使得支架成型后無需二次打磨處理。
(2)按配比稱取三維角膜基質(zhì)支架材料，依次溶解于水中形成溶液，