一种基于肋软骨的3D打印生物墨水及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种基于肋软骨的3D打印生物墨水及其制备方法与应用，属于生物医学材料技术领域。所述3D打印生物墨水包括肋软骨粉末、可光固化水凝胶和苯基‑2,4,6‑三甲基苯甲酰基膦酸锂，采用本发明专利技术所述3D打印生物墨水通过逆向工程系统和光固化3D打印技术可以成功制备人工耳廓。通过本发明专利技术制备的3D打印自体肋软骨耳廓具有高度适配的个性化，制备过程简单快捷，外形精度高，充分利于供体自体材料，极大减少肋软骨取骨量，具有良好的生物相容性和组织重构能力，在小耳畸形重建手术中具有巨大临床应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于肋软骨的3D打印生物墨水及其制备方法与应用
本专利技术属于生物医学材料
，具体涉及从CT扫描图像数据到耳廓制作的逆向工程方法，尤其涉及自体肋软骨生物墨水的配制方法及其成型制造技术。技术背景先天性小耳畸形(Congenitalmicrotia)是一类以重度耳廓发育不全、外耳道闭锁或狭窄、中耳畸形为主要临床特征的先天性疾病。据统计，小耳畸形的发病率在东方人群约为1/3000～1/5000，其临床症状及伴发畸形不仅引起了患儿外形以及听力等器官功能障碍，更是使患儿及其家庭产生了极大的心理负担。先天性小耳畸形通常通过耳廓重建进行治疗，由于外耳呈现复杂的三维立体结构，细微结构较多，使得耳廓再造术成为整形外科中最复杂、难度最大的手术之一。目前针对小耳畸形的主要手术方法为自体肋软骨雕刻技术。该手术具体流程如下：首先需手术切取患耳一侧7-8肋软骨(对于肋软骨较小者可酌情加取第6肋软骨)；然后医师根据患儿发育正常耳(少部分双侧小耳畸形患儿根据父母正常发育外耳)的耳廓结构进行雕刻；最后再将雕刻完成耳廓植入患儿患侧耳部皮肤下，从而形成新的耳廓结构。自体肋软骨雕刻手术是目前治疗小耳畸形最重要的手术方式，在国内外各大医院均有开展，但是其仍然存在诸多缺点：①该手术对医师技术要求较高，普通医师需要经过长期和大量的手术操作积累手术经验来提高耳廓雕刻技术；②雕刻外耳耳廓精度有限，与正常耳仍存在较大差距；③肋软骨雕刻手术对肋骨取骨量需求大，1-2个肋软骨通常不够，雕刻手术常会出现供体材料的浪费。对于小耳畸形耳廓再造手术，除肋软骨雕刻外，还有使用人工材料假体置入的方法。有文献曾报道硅胶、多孔聚乙烯(Medpor)等人工合成生物材料植入重构外耳耳廓的应用，但是因为其生物相容性和较高的外露率等问题，人工合成生物材料的应用受限。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有小耳畸形耳廓再造手术的不足，开发一种使用3D生物打印肋软骨材料制备外耳人工耳廓的技术。其特点是通过制备肋软骨生物墨水，然后使用3D生物打印技术获得具有软骨细胞的外耳人工耳廓结构。肋软骨材料制备生物墨水保证了材料独特的生物活性，3D生物打印能够精准构建患者个性外的外耳耳廓结构，从而满足小耳畸形耳再造手术对于耳廓个性化、结构精细和生物相容性高等多种功能的需求。本专利技术制备的3D打印自体肋软骨耳廓具有高度适配的个性化，制备过程简单快捷，外形精度高，充分利于供体自体材料，极大减少肋软骨取骨量，具有良好的生物相容性和组织重构能力，在小耳畸形重建手术中具有巨大临床应用价值。本专利技术包含以下技术方案：一种基于肋软骨的3D打印生物墨水，包括肋软骨粉末、可光固化水凝胶和苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂。各组分均为生物相容性优异的材料，肋软骨自体材料与耳廓软骨成分相似，理化性质接近，更符合耳廓再造对于材料的需求，且硬相肋软骨粉末的加入提高了耳廓的力学性能。光固化水凝胶具有生物降解性和生物相容性。苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂作为光引发剂，在没有暴露在紫外线光下，具有一定的生物毒性，但经过充分的紫外线暴露下，这种生物光引发剂并不影响细胞活性。作为可选方式，在上述3D打印生物墨水中，所述光引发苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂剂的浓度为0.20-0.5％(w/v)，这些光引发剂能够在紫外光的激发下充分地与可光固化水凝胶进行交联反应，很少或者几乎没有自由基和光引发剂残留，这样大大减少了光引发剂所引起的细胞毒性。作为可选方式，在上述3D打印生物墨水中，所述可光固化水凝胶为甲基丙烯酸酐化明胶、甲基丙烯酸酐化透明质酸、甲基丙烯酸酐化丝素蛋白、甲基丙烯酸酐化壳聚糖中的一种或多种。其中，明胶为天然高分子材料胶原的水解产物，具有良好的生物相容和生物降解性，甲基丙烯酸酐化后的明胶具有相同的生物相容性和生物降解性。作为可选方式，在上述3D打印生物墨水中，所述肋软骨粉末固含量约为30～50％，以利于打印工艺的进行，在保持较高的固含量的情况下，此固含量范围打印效果较好。作为可选方式，在上述3D打印生物墨水中，所述肋软骨粉末为自体肋软骨粉末。肋软骨取自患者自身，具有良好的生物相容性和极的低排斥性，相比于人工合成生物材料，自体来源(即生物自体材料)材料具有明显优势，其主要表现在：(1)自体材料生物相容性好，人工合成材料置入往往存在有异物排斥、异物致癌等风险，大多无生物活性。自体材料取材自患者自身，具有良好的生物相容性和生物活性。(2)自体材料理化性质更适合组织修复重建。人体组织具有精妙的成分和结构，在漫长的进化过程中，人体为适应生理活动而优化形成了其特定的自体材料，人工合成材料往往难以达到仿生天然自体材料的理化性质和功能。作为可选方式，在上述3D打印生物墨水中，所述肋软骨粉末粒度＜10～150μm。作为可选方式，在上述3D打印生物墨水中，所述甲基丙烯酸酐化明胶接枝率约为60％～100％。接枝率较高的水凝胶力学性能较好。作为可选方式，在上述3D打印生物墨水中，所述甲基丙烯酸酐化明胶水溶液浓度为5-30％(w/v)。5％是水凝胶光固化下限，超过30％含量的水凝胶活性提升不大。本专利技术还提供了一种上述3D打印生物墨水的制备方法，包括以下步骤：(1)使用生物粉碎机对肋软骨进行无菌粉碎得到肋软骨粉末并低温无菌保存；(2)制备可光固化水凝胶；(3)配制苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂溶液，并与步骤(2)所得的可光固化水凝胶在50℃～60℃下充分混合(这个范围的温度能使两种溶质充分溶解混匀)；(4)将步骤(1)所得的肋软骨粉末和步骤(3)所得混合溶液通过混合脱泡仪进行充分混合，得到3D打印生物墨水。作为可选方式，在上述3D打印生物墨水的制备方法中，所述步骤(2)具体为：将明胶或透明质酸或丝素蛋白或壳聚糖在60℃温度下溶碳酸盐碱性缓冲液，然后滴加甲基丙烯酸酐并剧烈搅拌，然后加入磷酸缓冲盐溶液终止反应，将产物离心取上层清液并在去离子水中透析，然后进行冷冻干燥得到多孔海绵状固体即为甲基丙烯酸酐化明胶，然后溶于去离子水中备用。本专利技术还提供了一种上述3D打印生物墨水的应用，通过逆向工程系统和光固化3D打印技术将其用于制备人工耳廓。本专利技术还提供了一种人工耳廓，其特征在于，采用权利要求1所述的3D打印生物墨水通过光固化3D打印而成。尽管目前临床上已有肋软骨雕刻耳廓技术的广泛应用，但3D生物打印技术在个性化重构耳廓的应用上具有巨大优势和潜力，具体体现在以下几方面：(1)精准化定制：3D打印可根据患者或其家人完整的耳廓结构构建畸形耳三维模型并进行打印，精准打造个性化耳廓并用于畸形侧耳再造。(2)精细化结构：3D打印精度高，可以精细地制作外耳耳廓各个部位的精细结构，相比于人工雕刻软骨制作耳廓更加立体和精细。(3)生物3D打印耳廓可直接根据患者耳部三维重建数据进行耳廓制作，降低了医师对该手术的学习曲线，有利于小耳畸形耳廓再造手术的广泛开展。(4)通过添加辅助生物材料配置自体肋软骨打印墨水，进行小耳畸形耳廓重构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于肋软骨的3D打印生物墨水，其特征在于，包括肋软骨粉末、可光固化水凝胶和苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于肋软骨的3D打印生物墨水，其特征在于，包括肋软骨粉末、可光固化水凝胶和苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂。


2.根据权利要求1所述的3D打印生物墨水，其特征在于，所述可光固化水凝胶为甲基丙烯酸酐化明胶、甲基丙烯酸酐化透明质酸、甲基丙烯酸酐化丝素蛋白、甲基丙烯酸酐化壳聚糖中的一种或多种。


3.根据权利要求1所述的3D打印生物墨水，其特征在于，所述肋软骨粉末为自体肋软骨粉末。


4.根据权利要求1所述的3D打印生物墨水，其特征在于，所述肋软骨粉末粒度＜10～150μm。


5.一种如权利要求1所述的3D打印生物墨水的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用生物粉碎机对肋软骨进行无菌粉碎得到肋软骨粉末并低温无菌保存；
(2)制备可光固化水凝胶；
(3)配制苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂溶液，并与步骤(2)所得的可光固化水凝胶在50℃～60℃下充分混合；
(4)将步骤(1)所得的肋软骨粉末和步骤(3)所得混合溶液通过混合脱泡仪进行充分混合，得到3D打印生物墨水。


6.根据权利要求5所述的3D打印生物墨水的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：将明胶或透明质酸或丝素蛋白...

【专利技术属性】
技术研发人员：李正勇，周长春，唐佩，宋平，吴丽娜，彭智愚，雷皓远，范洪远，蒋青，樊渝江，张兴栋，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51