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CN105288738A - 一种骨细胞培养的三维微环境结构体 - Google Patents

一种骨细胞培养的三维微环境结构体 Download PDF

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CN105288738A CN201510797789.2A CN201510797789A CN105288738A CN 105288738 A CN105288738 A CN 105288738A CN 201510797789 A CN201510797789 A CN 201510797789A CN 105288738 A CN105288738 A CN 105288738A
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赵小文
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Abstract

本发明公开了一种骨细胞培养的三维微环境结构体，其步骤如下：（1）采集患者骨组织原始的影像数据并导入计算机，精确还原得到骨组织的三维图像；（2）分析解剖上述三维图形，规划反向数据，还原出三维模型；（3）将三维模型转换或存储为格式文件；（4）基于个体骨组织结构数据，模拟出骨缺损前的原貌；（5）根据3D打印模型的缺损部位及正常部位模型进行模拟吻合；（6）参照骨数据库，进行内部微结构设计；（7）将其存储或转化为格式文件；（8）3D打印骨组织三维结构，快速实现实物模型。本发明用3D打印制造出的一种骨组织结构体内和体外基质微环境，使种子细胞和被诱变的干细胞在其中扩增，繁殖，生长，生活。

Description

一种骨细胞培养的三维微环境结构体
技术领域
本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种骨细胞培养的三维微环境结构体。
背景技术
人类骨组织由于肿瘤、炎症、外伤等可能导致骨的缺损,骨缺损的修复一直是组织工程中的难题。骨组织工程近年的迅速发展为人们解决大段骨缺损的治疗难题提供了另一种途径,尤其是近年来,三维立体生物可降解性材料及细胞培养等技术的发展,预示骨组织工程的美好前景。骨组织工程是指将分离的自体高浓度成骨细胞、骨髓基质干细胞或软骨细胞，经体外培养扩增后种植于一种天然或人工合成的、具有良好生物相容性、可被人体逐步降解吸收的细胞支架（scaffold）或称细胞外基质（extracellularmatrix，ECM）上，需具有复杂的非均质多孔结构，为种子细胞粘附、生长和增殖及发挥成骨作用创造适宜的微环境，即这种生物材料支架可为细胞提供生存的三维空间，有利于细胞获得足够的营养物质，进行气体交换，排除废料，使细胞在预制形态的三维支架上生长，然后将这种细胞杂化材料植入骨缺损部位，在生物材料逐步降解的同时，种植的骨细胞不断增殖，从而达到修复骨组织缺损的目的。
传统制备具有适合细胞生长微环境的三维结构的方法很多，如纤维粘接法、乳液冷冻干燥法、溶液浇注／沥滤法、气体发泡法、热致相分离法、静电纺丝法等。这些方法都需要应用模具或手工实现支架的外形；大多数方法均基于手工操作，不能充分发挥计算机软件设计的作用，不能实现对孔隙结构的可控性；难以保证孔隙之间的贯通性；难以实现梯度孔隙和材料梯度结构的成形，因此制备的支架都不具备一致的微结构和微环境。又因为其外部结构也不能与患者损伤的组织器官的解剖结构吻合，成形周期长，效率低，以至于不能实现支架个体化制造与生产的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种骨细胞培养的三维微环境结构体，本发明用3D打印制造出的一种骨组织结构体内和体外基质微环境，使种子细胞和被诱变的干细胞在其中扩增，繁殖，生长，生活。
一种骨细胞培养的三维微环境结构体，其步骤如下：
（1）采集患者骨组织原始的影像数据并导入计算机，精确还原得到骨组织的三维图像；
（2）分析解剖上述三维图形，进行骨病灶部位规划与正常部位精准吻合的反向数据，还原出骨病灶部位、剩余正常骨的三维模型；
（3）将三维模型转换或存储为格式文件；
（4）将上述格式文件的三维模型，基于个体骨组织结构数据，骨组织三维结构部分的骨缺损轮廓，对称完好的结构部分，模拟出骨缺损前的原貌；
（5）根据3D打印模型的缺损部位及正常部位模型进行模拟吻合，模拟匹配过程中，进行多次反复叠加，使得缺损部分和修补填充部分达到要求，从而得到弥补缺损部位的骨组织三维结构；
（6）参照骨数据库，对上述得到的骨组织三维结构进行内部微结构设计；
（7）将上述设计得到的三维模型存储或转化为格式文件；
（8）3D打印骨组织三维结构，快速实现实物模型。
其中，步骤（3）中的格式文件包括stl,stp,obj，max,3ds,ma,vtk,igs的文件格式。
其中，步骤（7）中的格式文件包括stl,stp,obj，max,3ds,ma,vtk,igs的文件格式。
其中，步骤（6）中的微结构设计指的是按骨细胞生长的需求条件对孔隙率和孔径大小、形状、支架表面积以及结构特征等进行设计、调节，重新建立生成三维模型。
其中，所述形状包括圆柱形、球形或者立体。
其中，步骤（8）采用用3D打印机或其他多维打印机将骨组织三维结构打印生产成为1：1的实物模型；所述其他多维打印机包括4D打印机和5D打印机。
其中，其验证方法如下：1.将3D打印的骨组织三维微环境结构体模型测量其相关的参数，如孔隙率，得到的数据在与设计的原型进行测量比对，检查其是否满足设计前的要求。2.将3D打印的实物模型与剩余正常骨的三维模型进行实物比对验证。
其中，步骤（8）还包括检测工序，所述检测工序是检测所得微环境结构体模型是否满足活体细胞增扩，繁殖，生长。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明设计了适合骨细胞生长的微环境结构体，其骨组织三维微结构可微调控，个体骨数据与骨科数据库数据进行比对，骨三维微环境结构体与患者可进行个体化匹配。
（2）骨三维微环境结构体微孔的数量、大小、分布及形状可人为控制，在构建骨组织三维结构的同时可以对骨细胞进行精确定位，不但在表面而且在骨支架内部也可以含有细胞，这就为实现骨细胞的合理空间分布提供了可能，可以构建类似于自然骨组织中存在的血管等管道结构，且管道分布、管径及孔隙率人为可控，便于复合物内部细胞与外界环境进行氧气、营养与代谢产物的交换以及为进一步培养形成血管结构乃至最终产生相应的生理功能奠定基础。
（3）3D打印适宜骨细胞培养的三维微环境结构体有一套相互导通的流道系统，保证在组织器官再造中细胞和养分顺利输运至组织器官结构内部，且细胞均匀沉积于微管道内部。
（4）3D打印适宜骨细胞培养的三维微环境结构体将适宜细胞生长、培养的微结构与微环境结合成一体，设计制造出适合细胞生长发育的结构体。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述：
一种骨细胞培养的三维微环境结构体，其步骤如下：
（1）采集患者骨组织原始的影像数据并导入计算机，精确还原得到骨组织的三维图像；
（2）分析解剖上述三维图形，进行骨病灶部位规划与正常部位精准吻合的反向数据，还原出骨病灶部位、剩余正常骨的三维模型；
（3）将三维模型转换或存储为格式文件；
（4）将上述格式文件的三维模型，基于个体骨组织结构数据，骨组织三维结构部分的骨缺损轮廓，对称完好的结构部分，模拟出骨缺损前的原貌；
（5）根据3D打印模型的缺损部位及正常部位模型进行模拟吻合，模拟匹配过程中，进行多次反复叠加，使得缺损部分和修补填充部分达到要求，从而得到弥补缺损部位的骨组织三维结构；
（6）参照骨数据库，对上述得到的骨组织三维结构进行内部微结构设计；
（7）将上述设计得到的三维模型存储或转化为格式文件；
（8）3D打印骨组织三维结构，快速实现实物模型。
其中，步骤（3）中的格式文件包括stl,stp,obj，max,3ds,ma,vtk,igs的文件格式。
其中，步骤（7）中的格式文件包括stl,stp,obj，max,3ds,ma,vtk,igs的文件格式。
其中，步骤（6）中的微结构设计指的是按骨细胞生长的需求条件对孔隙率和孔径大小、形状、支架表面积以及结构特征等进行设计、调节，重新建立生成三维模型。
其中，所述形状包括圆柱形、球形或者立体。
其中，步骤（8）采用用3D打印机或其他多维打印机将骨组织三维结构打印生产成为1：1的实物模型；所述其他多维打印机包括4D打印机和5D打印机。
其中，其验证方法如下：1.将3D打印的骨组织三维微环境结构体模型测量其相关的参数，如孔隙率，得到的数据在与设计的原型进行测量比对，检查其是否满足设计前的要求。2.将3D打印的实物模型与剩余正常骨的三维模型进行实物比对验证。
其中，步骤（8）还包括检测工序，所述检测工序是检测所得微环境结构体模型是否满足活体细胞增扩，繁殖，生长。
本发明设计了适合骨细胞生长的微环境结构体，其骨组织三维微结构可微调控，个体骨数据与骨科数据库数据进行比对，骨三维微环境结构体与患者可进行个体化匹配。骨三维微环境结构体微孔的数量、大小、分布及形状可人为控制，在构建骨组织三维结构的同时可以对骨细胞进行精确定位，不但在表面而且在骨支架内部也可以含有细胞，这就为实现骨细胞的合理空间分布提供了可能，可以构建类似于自然骨组织中存在的血管等管道结构，且管道分布、管径及孔隙率人为可控，便于复合物内部细胞与外界环境进行氧气、营养与代谢产物的交换以及为进一步培养形成血管结构乃至最终产生相应的生理功能奠定基础。
3D打印适宜骨细胞培养的三维微环境结构体有一套相互导通的流道系统，保证在组织器官再造中细胞和养分顺利输运至组织器官结构内部，且细胞均匀沉积于微管道内部。3D打印适宜骨细胞培养的三维微环境结构体将适宜细胞生长、培养的微结构与微环境结合成一体，设计制造出适合细胞生长发育的结构体。
以上所述仅为本发明的一实施例，并不限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种骨细胞培养的三维微环境结构体，其特征在于，其步骤如下：
（1）采集患者骨组织原始的影像数据并导入计算机，精确还原得到骨组织的三维图像；
（2）分析解剖上述三维图形，进行骨病灶部位规划与正常部位精准吻合的反向数据，还原出骨病灶部位、剩余正常骨的三维模型；
（3）将三维模型转换或存储为格式文件；
（4）将上述格式文件的三维模型，基于个体骨组织结构数据，骨组织三维结构部分的骨缺损轮廓，对称完好的结构部分，模拟出骨缺损前的原貌；
（5）根据3D打印模型的缺损部位及正常部位模型进行模拟吻合，模拟匹配过程中，进行多次反复叠加，使得缺损部分和修补填充部分达到要求，从而得到弥补缺损部位的骨组织三维结构；
（6）参照骨数据库，对上述得到的骨组织三维结构进行内部微结构设计；
（7）将上述设计得到的三维模型存储或转化为格式文件；
（8）3D打印骨组织三维结构，快速实现实物模型。
2.根据权利要求书1所述的一种骨细胞培养的三维微环境结构体，其特征在于，步骤（3）中的格式文件包括stl,stp,obj，max,3ds,ma,vtk,igs的文件格式。
3.根据权利要求书1所述的一种骨细胞培养的三维微环境结构体，其特征在于，步骤（7）中的格式文件包括stl,stp,obj，max,3ds,ma,vtk,igs的文件格式。
4.根据权利要求书1所述的一种骨细胞培养的三维微环境结构体，其特征在于，步骤（6）中的微结构设计指的是按骨细胞生长的需求条件对孔隙率和孔径大小、形状、支架表面积以及结构特征等进行设计、调节，重新建立生成三维模型。
5.根据权利要求书4所述的一种骨细胞培养的三维微环境结构体，其特征在于，，所述形状包括圆柱形、球形或者立体。
6.根据权利要求书1所述的一种骨细胞培养的三维微环境结构体，其特征在于，步骤（8）采用用3D打印机或其他多维打印机将骨组织三维结构打印生产成为1：1的实物模型；所述其他多维打印机包括4D打印机和5D打印机。
7.根据权利要求书1所述的一种骨细胞培养的三维微环境结构体，其特征在于，其验证方法如下：（1）.将3D打印的骨组织三维微环境结构体模型测量其相关的参数，如孔隙率，得到的数据在与设计的原型进行测量比对，检查其是否满足设计前的要求；（2）.将3D打印的实物模型与剩余正常骨的三维模型进行实物比对验证。
8.根据权利要求书1所述的一种骨细胞培养的三维微环境结构体，其特征在于，步骤（8）还包括检测工序，所述检测工序是检测所得微环境结构体模型是否满足活体细胞增扩，繁殖，生长。
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