一种全功能人工器官拟合体及其制备和培养方法技术

一种全功能人工器官拟合体及其制备和培养方法，属于生物、材料、制造交叉学科领域。该拟合体含有外皮层和器官主体组织区；器官主体组织区含有生长区、分化区、对接区、分支动脉系统、分支神经系统和分支静脉系统；所述分支动脉系统、分支神经系统和分支静脉系统分布在分化区内并与外部生长区和中部对接区构成主体三维骨架结构。本发明专利技术利用微滴喷射、灌注、注射等技术使含不同细胞和生长因子的水凝胶排列在三维骨架结构上；利用粘附或喷涂等技术使合成高分子复合到主体三维骨架结构外侧形成类似于动物体各器官的形貌；采用特定培养装置和方法对器官拟合体进行培养，使其在功能和结构上模拟天然的动物器官，为器官制造、移植等领域提供新的可能性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种全功能人工器官拟合体及其制备和培养方法，属于生物、材料、机械、制造交叉学科领域。
技术介绍
世界上每年患有组织缺损或器官衰竭的病人数逾千万，仅美国每年以外科手术治疗此类病人约800万。然而，活体供体组织器官有限，现有的机械装置不具备复杂组织器官的所有功能，不能防止患者的病情进一步恶化。近十年来，科学家们运用组织工程技术，利用人体残余器官的少量正常细胞进行体外繁殖，获得患者所需的、具有相同功能的器官，又不存在排斥反应，已取可喜的成果，不少新近成立的生物技术公司正准备正在投入巨资实现商品化。在美国，已形成价值40亿美元的产业，并以每年25％的速度递增。但现存的组织工程技术面临许多困难和限制，组织工程应用研究所取得的成功均是在那些结构与生理功能较为简单的组织如骨骼、软骨。传统的支架制备技术不能准确地控制孔的大小、结构、空间分布及贯通的通道，营养供应和血管长入都受到很大的限制。传统组织工程方法一般先制备结构支架，在进行细胞培养过程中由于上层细胞消耗大部分的氧气和营养，限制了这些组分向底层扩散，从而限制了细胞向支架深层的迁移等。这种先制备支架，再培养细胞的方法，耗时又费力，细胞在向支架内迁移的过程中很可能就已经变型、老化，达不到及时治疗临床病人的要求。同时传统的组织工程技术不能满足将不同的细胞在空间准确定位与定点放置，构建复杂组织器官的功能梯度结构的需求。3D打印(three-dimensional printing,3DP)，又叫快速原形(Rapid Prototyping,RP)，或增材制造(Additive Manufacturing,AM)，利用材料的逐层堆积实现结构体的成形。国外许多科研组已实现基于RP技术的含细胞三维结构体的组装或打印，如荷兰乌德勒支大学医学中心的三维纤维沉积技术[Fedorovich NE,et al.Tissue Engineering Part C,2011,18(1):33],美国亚利桑那大学的三维直写生物打印技术[Cooper GM,et al.Tissue Engineering Part A,2010,16(5):1749]等。国内清华大学器官制造中心(Center of Organ Manufacturing)开发出熔融挤压设备、单(双)头喷头(针头)低温沉积成形设备，并成功制备出了简单的血管网、肝组织和骨修复材料等[Wang XH,et al.Trends in Biotechnology,2007,25:505；Wang XH,et al.Tissue Engineering Part B,2010,16:189；Wang XH.Artificial organs,2012,36:591]。3DP有许多方式,如中国科技大学和大连理工大学利用RP技术制备了多孔镂空结构，这种多孔镂空结构，既节约原材料，又能保证原始性状和力学性能[Wang W,et al.ACM Transactions on Graphics(TOG),2013,32(6):177]。意大利比萨大学的Vozzi G等人利用
微注射的方法，制备了六边形网格，成形结构精确[Vozzi G,et al.Tissue Engineering,2002,8(6):1089-1098]。上述制备镂空结构的制备方法尚局限于合成高分子材料领域，在生物和水凝胶体系的应用少有提及，镂空水凝胶结构的应用有助于提高营养液在结构体中的交换速度。微流体技术(Microfluidics Technology,MT)能在能在微观尺寸下控制、操作和检测复杂的流体，近年来在微机械、生物工程等领域迅速涌现，芯片实验室(Lab on a chip)应运而生。英国拉夫堡大学Capel AJ等人总结了五种快速成形技术在流体化学反应的应用，并提出制备小型反应器的制备[Capel AJ,et al.Lab on a Chip,2013,13(23):4583]。将3D打印技术与为流体技术结合是解决人工器官制造的研究热点。如,美国宾夕法尼亚大学的Miller JS等人制备了三维的可溶解糖纤维支架，通入血液模拟剪切力的作用，完成了内皮细胞在血管通道的黏附，具有了初步的血管功能[Miller JS,et al.Nature materials,2012,11(9):768]。但是制备糖纤维支架费时费力，并且精度和几何复杂度也受到限制。专利文献(申请号201210324600.4)提出了用旋转复合模具制备纺锤状复杂器官前体的方法，该方法通过模具的相对转动得到成形体外围的弧线，通过灌注方法得到带分支通道的半纺锤状成形体。但该方法分支通道的精细结构可控性不强，分支通道的多重分支难以保证,操作稳定性和结构复杂性等有待提升。专利文献(申请号201410026170.7)提出了用快速成形法制备具有微流体通道的血管化组织结构。该方法制备的结构只含一进一出的一个分支血管系统，满足不了复杂器官同时含分支动静脉血管系统和神经系统的需求，同时不能保证所构建的血管化组织结构在体内移植后具有旺盛的生长能力和新陈代谢功能。通过以上分析，利用再生医学原理来构建全功能人工器官已经成为医学和工程领域的研究热点。现有的3DP(AM)、微流体技术和组合模具技术并不能制备出同时含分支动静脉血管系统、神经系统和免疫系统的可与人体动静脉血管、神经等系统直接连接的全功能可植入型器官结构。这些因素促使我们对各种不同技术进行有机结合，利用复合多喷头3D打印技术、倒模、喷涂、电纺丝等技术制备具有各种系统结构的全功能人工器官，实现各种生物材料，包括高分子溶液、含细胞的水凝胶和含细胞的稀溶液多种材料的复合成形；其中分布于器官中的各种系统可以相互促进、协同发展，本专利技术为制造全功能人工器官奠定了理论和实践基础。
技术实现思路
本专利技术的目的一种全功能人工器官拟合体及其制备和培养方法，使其在功能和结构上模拟天然的动物器官，实现多个复杂组织器官的快速制造，用于衰竭器官的直接修复和替换，达到修复再生的目的，为器官制造、移植等领域提供新的可能性。本专利技术的技术方案如下：一种全功能人体器官拟合体，其特征在于：所述全功能人工器官拟合体包括外皮层和器官主体组织区；所述器官主体组织区包括生长区、分化区、对接区、分支动脉系统、分支神经系统和分支静脉系统；所述外皮层的结构形状模拟动物体各器官的形貌；所述分支动脉系统、分支神经系统和分支静脉系统分布在分化区内并与外部生长区和中部对接区构成主体三维骨架结构；分支动脉系统包括动脉总管和动脉支管；分支静脉系统包括静脉总管和静脉支管；动脉支管和静脉支管分别与中部对接区相连；分支神经系统包括主神经束和分支神经束；所述的分化区由含成体细胞的天然高分子水凝胶，或含生长因子和干细胞的天然高分子水凝胶构成；所述的生长区由含干细胞的天然高分子水凝胶构成；所述的对接区由含内皮细胞天然高分子水凝胶，或含生长因子的干细胞的天然高分子水凝胶层构成；分支神经系统穿过对接区，且连续贯通；所述分支动脉系统含至少一个液体入口，至少含一个液体出口或没有出口；所述分支静脉系统含至少一个液体入口和至少一个液体出口；所述的外皮层为合成高分子材料，分为上下两部分；分支动脉系统、分支神经系统和分支静本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全功能人体器官拟合体，其特征在于：所述全功能人工器官拟合体包括外皮层(101)和器官主体组织区(102)；所述器官主体组织区包括生长区(103)、分化区(104)、对接区(105)、分支动脉系统(106)、分支神经系统(107)和分支静脉系统(108)；所述外皮层(101)的结构形状模拟动物体各器官的形貌；所述分支动脉系统(106)、分支神经系统(107)和分支静脉系统(108)分布在分化区(104)内并与外部生长区(103)和中部对接区(105)构成主体三维骨架结构；分支动脉系统(106)包括动脉总管和动脉支管；分支静脉系统(108)包括静脉总管和静脉支管；动脉支管和静脉支管分别与中部对接区(105)相连；分支神经系统(108)包括主神经束和分支神经束；所述的分化区(104)由含成体细胞的天然高分子水凝胶，或含生长因子和干细胞的天然高分子水凝胶构成；所述的生长区(105)由含干细胞的天然高分子水凝胶构成；所述的对接区(105)由含内皮细胞天然高分子水凝胶，或含生长因子和干细胞的天然高分子水凝胶层构成；分支神经系统(108)穿过对接区(105)，且连续贯通；所述分支动脉系统(106)含至少一个液体入口，至少含一个液体出口或没有出口；所述分支静脉系统(108)含至少一个液体入口和至少一个液体出口；所述的外皮层(101)为合成高分子材料，分为上下两部分；分支动脉系统(106)、分支神经系统(107)和分支静脉系统(108)是由3D打印逐层堆积或倒模技术分层灌注的含细胞的天然高分子水凝胶构成。...

【技术特征摘要】
1.一种全功能人体器官拟合体，其特征在于：所述全功能人工器官拟合体包括外皮层(101)和器官主体组织区(102)；所述器官主体组织区包括生长区(103)、分化区(104)、对接区(105)、分支动脉系统(106)、分支神经系统(107)和分支静脉系统(108)；所述外皮层(101)的结构形状模拟动物体各器官的形貌；所述分支动脉系统(106)、分支神经系统(107)和分支静脉系统(108)分布在分化区(104)内并与外部生长区(103)和中部对接区(105)构成主体三维骨架结构；分支动脉系统(106)包括动脉总管和动脉支管；分支静脉系统(108)包括静脉总管和静脉支管；动脉支管和静脉支管分别与中部对接区(105)相连；分支神经系统(108)包括主神经束和分支神经束；所述的分化区(104)由含成体细胞的天然高分子水凝胶，或含生长因子和干细胞的天然高分子水凝胶构成；所述的生长区(105)由含干细胞的天然高分子水凝胶构成；所述的对接区(105)由含内皮细胞天然高分子水凝胶，或含生长因子和干细胞的天然高分子水凝胶层构成；分支神经系统(108)穿过对接区(105)，且连续贯通；所述分支动脉系统(106)含至少一个液体入口，至少含一个液体出口或没有出口；所述分支静脉系统(108)含至少一个液体入口和至少一个液体出口；所述的外皮层(101)为合成高分子材料，分为上下两部分；分支动脉系统(106)、分支神经系统(107)和分支静脉系统(108)是由3D打印逐层堆积或倒模技术分层灌注的含细胞的天然高分子水凝胶构成。2.如权利要求1所述的一种全功能人工器官拟合体，其特征在于：所述分支动脉系统和分支静脉系统含有至少一层内皮细胞组成的血管内皮层，分支神经系统含有至少一种神经细胞组成的纤维束，其中动脉支管和静脉支管的内径为0.01-5mm，分支神经束的直径为0.01-5mm；所述生长区、分化区和对接区含细胞水凝胶的层厚为0.01-20mm。3.如权利要求1或2所述的一种全功能人工器官拟合体，其特征在于：所述器官拟合体的外部形状类似于动物体的心脏、肾脏、肝脏、胰脏、乳房、肺、皮肤、耳、子宫、大脑或膀胱。4.如权利要求1所述的全功能人工器官拟合体，其特征在于：所述分化区、生长区和对接区的天然高分子水凝胶为质量百分比0.1～20％的海藻酸钠、胶原、右旋糖、纤维蛋白原、活性肽、明胶、壳聚糖、细胞外基质、琼酯糖、层粘连蛋白、硫酸软骨素、卡拉胶、蛋白多糖和透明质酸溶液中的至少一种；在所述的天然高分子水凝胶中复合有质量百分比为0.01～10％的无机盐、抗凝血因子和冻存因子中的一种或多种；所述的外皮层为合成高分子聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚己内酯、聚碳酸酯、聚乙二醇、聚乳酸-羟基乙酸共聚物和聚酯和聚羟基酸酯中的至少一种；该合成高分子溶液的溶剂为四乙二醇或1,4-二氧六环，合成高分子溶液的质量体积百分比为0.1-30％。5.如权利要求1所述的一种全功能人工器官拟合体，其特征在于：所述成体细胞为心肌细胞、肝细胞、胰岛细胞、星状细胞、成骨细胞、软骨细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞、内皮细胞、肾细胞、雪旺氏细胞、神经胶质细胞、上皮细胞、脂肪细胞、脾细胞、子宫细胞和脂肪细胞中的至少一种；所述的干细胞为间充质干细胞、脐带血干细胞、骨髓干细胞、胚胎干细胞和诱导多能干细胞中的至少一种。6.一种如权利要求1所述全功能人工器官拟合体的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)采用计算机三维建模方法分别设计所述全功能人工器官的外形结构、分支动脉系统结构、分支静脉系统结构、分支神经系统结构以及外皮层结构；2)采用3D打印或倒模技术，制备上端开口的不同直径的整体外皮层模具、分支动脉系统、分支静脉系统和分支神经系统的三维骨架结构；分别配制含成体细胞或含生长因子和干细胞的混合物天然高分子水溶液、含干细胞的天然高分子水溶液和含内皮细胞天然高分子水溶液，其中天然高分子水溶液质量百分比为0.1-20％，细胞在天然高分子水溶液中的密度为1×102-7个/mL；3)将至少一组分支动脉系统、一组分支静脉系统和分支神经系统三维骨架结构放在直径最小的整体外皮层模具内，在分支动脉系统、分支静脉系统和分支神经系统与整体外皮层模具间灌注含成体细胞或含生长因子和干细胞的混合物的天然高分子水溶液，形成下部分的分化区，在此结构上喷涂或注射含内皮细胞或干细胞和生长因子混合物的天然高分子溶液形成对接区；4)在对接区上部放置一组分支静脉系统和分支神经...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘畅，
申请(专利权)人：刘畅，
类型：发明
国别省市：北京;11