本發(fā)明涉及一種分叉結(jié)構(gòu)三維分層血管支架的成形系統(tǒng)和方法，能實現(xiàn)具有分層結(jié)構(gòu)的三維空間內(nèi)的分叉血管支架，應(yīng)用于機械制造和生物制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，心血管疾病逐漸成為威脅健康的重要因素，由于缺少合適的自體血管，每年有大量病人需要人工血管移植。構(gòu)建具有功能性的組織血管支架具有廣闊的應(yīng)用前景。

人體內(nèi)的血管內(nèi)徑從5微米到25毫米不等，尺寸較大的血管壁有明顯的三層結(jié)構(gòu)：內(nèi)膜，中膜和外膜。內(nèi)膜是附著在基底膜上的單層內(nèi)皮細胞；中膜由大量的平滑肌細胞或彈性組織構(gòu)成；外膜主要由包含成纖維細胞和血管。

周圍神經(jīng)的細胞外基質(zhì)膠原組成。

目前，在組織工程血管支架成形工藝方面，常常使用的工藝方法主要可以分為兩類：一類是基于血管模型預(yù)建立方法；另一類是基于組織結(jié)構(gòu)內(nèi)血管網(wǎng)絡(luò)生成的方法。血管模型預(yù)建立方法又可以分為利用模具澆注和結(jié)合電紡絲技術(shù)成形的方法；而基于組織結(jié)構(gòu)內(nèi)血管網(wǎng)絡(luò)生成的方法主要是通過3D細胞培養(yǎng)技術(shù)，利用內(nèi)皮細胞等自發(fā)地在生物支架內(nèi)形成細微的通道。這些傳統(tǒng)方法雖然獲得了較成功的血管支架或具有血管網(wǎng)絡(luò)的支架，但是目前制備多層血管支架的工藝方法很難實現(xiàn)支架三維空間的結(jié)構(gòu)以及血管分叉的形態(tài)，而能夠?qū)崿F(xiàn)一定三維分叉流道結(jié)構(gòu)的工藝方法又很難實現(xiàn)血管的三層結(jié)構(gòu)。而對于組織工程在臨床的應(yīng)用來說，制備具有血管分層結(jié)構(gòu)的三維空間內(nèi)的分叉血管支架具有十分重要的意義。此外，在血管的三層結(jié)構(gòu)中，因為內(nèi)膜是單層的內(nèi)皮細胞，因此在制備血管支架時，只需構(gòu)建出對應(yīng)于中膜和外膜的兩層實體支架結(jié)構(gòu)，內(nèi)膜可以通過接種內(nèi)皮細胞來形成。

在制備組織工程血管支架的工藝中，常常使用犧牲材料的方法來達到形成最終血管支架中空結(jié)構(gòu)的目的。常用的犧牲材料分為水溶性材料和熱熔性材料。聚乙烯醇是常用的水溶性犧牲材料，其在65到75℃的溫度下完全溶于水；普朗尼克F127材料是常用的熱熔性犧牲材料，屬于熱可逆材料，可溶于水，在凝膠溫度以下，會經(jīng)歷由凝膠態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變，因此可用作試驗中的犧牲材料，即通過降低溫度的方法將其去除，從而得到中空的管道結(jié)構(gòu)。

3D打印技術(shù)(增量制造技術(shù))是近年來發(fā)展的一種新型的機械制造技術(shù)，屬于快速成形技術(shù)的一種。應(yīng)用計算機輔助設(shè)計(CAD)軟件設(shè)計出需要加工的模型，通過軟件分層離散和數(shù)控成形系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料等材料進行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成形。3D打印技術(shù)可以應(yīng)用于模具的快速打印，能實現(xiàn)具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的模具的制造，大大縮短了模具制造的周期。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對已有血管支架制備工藝存在的缺陷，提供一種分叉結(jié)構(gòu)三維分層血管支架的成形系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)通過3D打印技術(shù)制造模具，通過向模具中灌注水凝膠的方式，進行血管支架的逐層制備；利用普朗尼克F127犧牲材料，通過先添加后犧牲的方法實現(xiàn)血管支架的中空結(jié)構(gòu)，最終形成具有分叉結(jié)構(gòu)的三維分層血管支架。

為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種具有分叉結(jié)構(gòu)的三維分層血管支架成形系統(tǒng)，包括模具系統(tǒng)、水凝膠灌注系統(tǒng)、犧牲材料打印系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)，其特征在于：所述的模具系統(tǒng)通過設(shè)計模具的CAD文件，使用3D打印機進行各個模具的打印；所述的水凝膠灌注系統(tǒng)，通過微量泵推動注射器活塞，將水凝膠灌注到由兩個模具合并所形成的流道中；所述的犧牲材料打印系統(tǒng)，將犧牲材料裝入注射器針筒中，注射器固定在微量泵上，微量泵安裝在三維運動機構(gòu)上，通過三維運動機構(gòu)帶動微量泵運動，微量泵推動注射器活塞擠出犧牲材料，從而實現(xiàn)犧牲材料的打印。

所述的模具系統(tǒng)共包含5個模具，其中模具1能夠分別與模具2、模具3、模具4、模具5契合。每個模具凸起或凹下的路徑完全相同。

所述的水凝膠灌注系統(tǒng)由微量泵控制器、微量泵執(zhí)行機構(gòu)、注射器活塞筒體、入口導(dǎo)管、出口導(dǎo)管和上述模具組成。

所述的犧牲材料打印系統(tǒng)由三維運動機構(gòu)、微量泵控制器、微量泵執(zhí)行機構(gòu)、注射器活塞筒體和注射器針頭組成。

所述的計算機控制系統(tǒng)包括一個計算機系統(tǒng)聯(lián)接一個控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)聯(lián)接控制三維運動機構(gòu)的電機。

一種利用上述系統(tǒng)制備具有分叉結(jié)構(gòu)的三維分層血管支架的成形方法，基于3D打印模具，通過灌注水凝膠和打印犧牲材料普朗尼克F127進行試驗操作，其特征在于：

1)成形血管支架外層的下半層：將模具1和模具2合并在一起，使各自的管道軸線重合。合模之后，將水凝膠溶液通過注射器從模具1一側(cè)的入口導(dǎo)管注入，直至溶液從模具1另一側(cè)的出口導(dǎo)管流出為止，待水凝膠溶液凝膠化之后，取下模具2，可得到血管支架外層的下半層結(jié)構(gòu)；

2)成形血管支架內(nèi)層的下半層：將模具1和模具3合并在一起，使各自的管道軸線重合。合模之后，將水凝膠溶液通過注射器從模具1一側(cè)的入口導(dǎo)管注入，直至溶液從模具1另一側(cè)的出口導(dǎo)管流出為止，待水凝膠溶液凝膠化之后，取下模具3，可得到血管支架內(nèi)層的下半層結(jié)構(gòu)；

3)犧牲材料的打?。簩⒀b有普朗尼克F127材料的注射器固定在微量泵上，微量泵固定在三維運動平臺上，計算機控制系統(tǒng)控制三維運動平臺按照設(shè)計的路徑進行運動，注射器在微量泵的驅(qū)動下實現(xiàn)犧牲材料的打印。由此可見，針頭的運動速度和材料的擠出速度必須匹配，才能保證擠出路徑的完整性。打印過程如圖5所示，設(shè)注射器在微量泵的驅(qū)動下活塞運動速度為v₀，材料的擠出速度為v₁，注射器平移速度為v，注射器內(nèi)徑為d₀，擠出材料直徑為d₁，擠出流量為Q。則擠出流量可以用以公式(1)和公式(2)來表示：

$Q=v_0\frac{{d_0}^2}{4\mathrm{\π}}---\left(1\right)$

$Q=v_1\frac{{d_1}^2}{4\mathrm{\π}}---\left(2\right)$

由流量相等原理可以得出：

$v_0\frac{{d_0}^2}{4\mathrm{\π}}=v_1\frac{{d_1}^2}{4\mathrm{\π}}---\left(3\right)$

又因為材料擠出速度等于注射器平移速度，即：

v＝v₁ (4)

由公式(3)和(4)可以得出活塞運動速度和注射器平移速度的關(guān)系：

$\frac{v}{v_0}=\frac{{d_0}^2}{{d_1}^2}---\left(5\right)$

4)成形血管支架內(nèi)層的上半層：將模具1和模具4合并在一起，使各自的管道軸線重合。合模之后，將水凝膠溶液通過注射器從模具1一側(cè)的入口導(dǎo)管注入，直至溶液從模具1另一側(cè)的出口導(dǎo)管流出為止，待水凝膠溶液凝膠化之后，取下模具4，可得到血管支架內(nèi)層的上半層結(jié)構(gòu)；

5)成形血管支架外層的上半層：將模具1和模具5合并在一起，使各自的管道軸線重合。合模之后，將水凝膠溶液通過注射器從模具1一側(cè)的入口導(dǎo)管注入，直至溶液從模具1另一側(cè)的出口導(dǎo)管流出為止，待水凝膠溶液凝膠化之后，取下模具5，可得到血管支架外層的上半層結(jié)構(gòu)；

6)犧牲材料的去除：降低系統(tǒng)環(huán)境溫度使普朗尼克F127材料液化流出，從而形成中空的管道結(jié)構(gòu)。將支架從模具1取下，即可得到具有分叉結(jié)構(gòu)的三維分層血管支架。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點：

1)本發(fā)明利用3D打印技術(shù)進行模具的制造，可以在很短的周期內(nèi)制造出所設(shè)計的模具。

2)可以根據(jù)現(xiàn)有的醫(yī)療血管數(shù)據(jù)模型來生成相應(yīng)模具的CAD模型，并通過3D打印的方式進行模具的制造，從而能夠構(gòu)建具有模擬生物體內(nèi)真實結(jié)構(gòu)的血管支架。

3)可以實現(xiàn)具有雙層結(jié)構(gòu)的血管支架，因而能夠更好地模擬生物體內(nèi)血管的生理結(jié)構(gòu)。

4)可以實現(xiàn)具有分叉結(jié)構(gòu)的血管支架，因此具有成形單根血管支架工藝無法比擬的優(yōu)勢。

5)可以實現(xiàn)具有一定三維結(jié)構(gòu)的血管支架，因此更能滿足臨床移植的需求。

6)可以實現(xiàn)血管支架不同層之間水凝膠材料的差別，而血管不同層內(nèi)的不同種類的細胞對于周圍基質(zhì)的要求種類也不同，因此為后續(xù)的細胞接種提供了良好的接種條件。

綜上所述，本發(fā)明所述系統(tǒng)利用模具系統(tǒng)、水凝膠灌注系統(tǒng)和犧牲材料打印系統(tǒng)綜合實現(xiàn)了具有分叉結(jié)構(gòu)的三維分層血管支架的成形。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、自動化程度高、易控制、周期短等優(yōu)點，適用于組織工程中具有分叉結(jié)構(gòu)的三維分層多種材料的血管支架成形。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的分叉結(jié)構(gòu)三維分層血管支架的成形系統(tǒng)。

圖2是模具系統(tǒng)。

圖3是水凝膠灌注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是犧牲材料打印過程及各參數(shù)的示意圖。

圖5是打印過程模具系統(tǒng)剖視圖(其中由圖(a)～圖(j)示出各模具在打印過程中的配合)。

在圖1至圖3中：

I—模具系統(tǒng)，11—模具1，12—模具2，13—模具3，

14—模具4， 15—模具5，

II—水凝膠灌注系統(tǒng)，21—微量泵控制器，22—微量泵執(zhí)行機構(gòu)甲，

23—注射器活塞筒體，24—入口導(dǎo)管，25—出口導(dǎo)管，

III—犧牲材料打印系統(tǒng)， 31—三維運動機構(gòu)，32—微量泵執(zhí)行機構(gòu)乙，

33—注射器活塞筒體，34—注射器針頭，35—微量泵控制器，

4—計算機系統(tǒng)，

5—機架。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及優(yōu)選實施例進行進一步詳細說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作原理及工作過程內(nèi)容：

實施例一：

參見圖1～圖3，本分叉結(jié)構(gòu)三維分層血管支架的成形系統(tǒng)，包括機架(5)、模具系統(tǒng)(Ⅰ)、水凝膠灌注系統(tǒng)(Ⅱ)、犧牲材料打印系統(tǒng)(Ⅲ)和計算機控制系統(tǒng)(Ⅳ)，其特征在于：所述模具系統(tǒng)(Ⅰ)安置在機架(5)的底座上；所述水凝膠灌注系統(tǒng)(Ⅱ)活動安裝在機架(5)上，使其中的一個注射器針頭(34)接通模具系統(tǒng)(I)的一個模具入口導(dǎo)管(24)；所述犧牲材料打印系統(tǒng)(Ⅲ)安裝在機架(5)上而聯(lián)接帶動水凝膠灌注系統(tǒng)(Ⅱ)活動移位；所述計算機控制系統(tǒng)(Ⅳ)電連接，控制犧牲材料打印系統(tǒng)(Ⅲ)中的一個三維運動機構(gòu)(31)的三維移動和一個注射器活塞筒體(34)進行犧牲材料的擠出。

實施例二：

本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下：

所述的模具系統(tǒng)(Ⅰ)包括模具1(11)、模具2(12)、模具3(13)、模具4(14)和模具5(15)；模具1(11)兩端的入口和出口分別與入口導(dǎo)管(24)和出口導(dǎo)管(25)相連；在灌注水凝膠的過程中，模具2(12)、模具3(13)、模具4(14)和模具5(15)凸起或凹下的路徑分別與模具1(11)凹下的路徑相配合。

所述的水凝膠灌注系統(tǒng)(Ⅱ)由微量泵控制器(21)、微量泵執(zhí)行機構(gòu)甲(22)、注射器活塞筒體(23)、入口導(dǎo)管(24)和出口導(dǎo)管(25)組成；注射器活塞筒體(23)安裝在微量泵執(zhí)行機構(gòu)甲(22)上并通過緊定螺栓固定，微量泵執(zhí)行機構(gòu)甲(22)在微量泵控制器(21)的驅(qū)動下，推動注射器活塞筒體(23)進行水凝膠的擠出，注射器活塞筒體(23)出口與入口導(dǎo)管(24)相連接，入口導(dǎo)管(24)插入模具1(11)的入口，水凝膠溶液從出口導(dǎo)管(25)流出。

所述的犧牲材料打印系統(tǒng)(Ⅲ)由三維運動機構(gòu)(31)、微量泵執(zhí)行機構(gòu)乙(32)、注射器活塞筒體(33)、注射器針頭(34)和微量泵控制器(35)組成，所述注射器針頭(34)安裝在注射器活塞筒體(33)上，注射器活塞筒體(33)安裝在微量泵執(zhí)行機構(gòu)乙(32)上并通過緊定螺栓固定，微量泵執(zhí)行機構(gòu)乙(32)安裝在三維運動機構(gòu)(31)上，隨三維運動機構(gòu)(31)進行運動，微量泵執(zhí)行機構(gòu)乙(32)在微量泵控制器(35)的驅(qū)動下，推動注射器活塞筒體(33)進行犧牲材料的擠出，三維運動機構(gòu)(31)在計算機系統(tǒng)(4)的驅(qū)動下進行運動。

所述的計算機控制系統(tǒng)(Ⅳ)包括一個計算機系統(tǒng)(4)聯(lián)接一個控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)聯(lián)接三維運動機構(gòu)(31)的電機。

實施例三：

本分叉結(jié)構(gòu)三維分層血管支架的成形方法，采用上述系統(tǒng)進行操作，操作步驟如下：

1)成形血管支架外層的下半層：將模具1和模具2合并在一起，使各自的管道軸線重合。合模之后，將水凝膠溶液通過注射器從模具1一側(cè)的入口導(dǎo)管注入，直至溶液從模具1另一側(cè)的出口導(dǎo)管流出為止，待水凝膠溶液凝膠化之后，取下模具2，可得到血管支架外層的下半層結(jié)構(gòu)；

2)成形血管支架內(nèi)層的下半層：將模具1和模具3合并在一起，使各自的管道軸線重合。合模之后，將水凝膠溶液通過注射器從模具1一側(cè)的入口導(dǎo)管注入，直至溶液從模具1另一側(cè)的出口導(dǎo)管流出為止，待水凝膠溶液凝膠化之后，取下模具3，可得到血管支架內(nèi)層的下半層結(jié)構(gòu)；

3)犧牲材料的打?。簩⒀b有普朗尼克F127材料的注射器固定在微量泵上，微量泵固定在三維運動平臺上，計算機控制系統(tǒng)控制三維運動平臺按照設(shè)計的路徑進行運動，注射器在微量泵的驅(qū)動下實現(xiàn)犧牲材料的打印。

4)成形血管支架內(nèi)層的上半層：將模具1和模具4合并在一起，使各自的管道軸線重合。合模之后，將水凝膠溶液通過注射器從模具1一側(cè)的入口導(dǎo)管注入，直至溶液從模具1另一側(cè)的出口導(dǎo)管流出為止，待水凝膠溶液凝膠化之后，取下模具4，可得到血管支架內(nèi)層的上半層結(jié)構(gòu)；

5)成形血管支架外層的上半層：將模具1和模具5合并在一起，使各自的管道軸線重合。合模之后，將水凝膠溶液通過注射器從模具1一側(cè)的入口導(dǎo)管注入，直至溶液從模具1另一側(cè)的出口導(dǎo)管流出為止，待水凝膠溶液凝膠化之后，取下模具5，可得到血管支架外層的上半層結(jié)構(gòu)；

6)犧牲材料的去除：降低系統(tǒng)環(huán)境溫度使普朗尼克F127材料液化流出，從而形成中空的管道結(jié)構(gòu)。將支架從模具1取下，即可得到具有分叉結(jié)構(gòu)的三維分層血管支架。

實施例四：

參見圖5，利用上述系統(tǒng)，制備一款具有分叉結(jié)構(gòu)的三維分層血管支架的方法，操作步驟如下：

1)模具系統(tǒng)的制造：首先通過三維建模軟件進行模具模型的設(shè)計，生成相應(yīng)的5個模具的設(shè)計模型，將模型轉(zhuǎn)換為STL格式的文件后，輸入到3D打印機中進行模具的打印。所用的模具材料為ABS塑料，最后得到的5個模具如圖1所示。

2)試驗材料：灌注血管支架外層所用的水凝膠材料為明膠(化學(xué)純CP，分子量[9000-70-8]，國藥)：將明膠溶于水，配成質(zhì)量分數(shù)為10％的溶液；灌注血管支架內(nèi)層所用的水凝膠材料為海藻酸鈉(化學(xué)純CP，分子量[9005-38-3]，國藥)：將海藻酸鈉溶于去離子水，配制成質(zhì)量分數(shù)為5％的溶液；犧牲材料使用普朗尼克F127(化學(xué)純，分子量[9003-11-6]，國藥)：將普朗尼克F127溶于去離子水，配制成質(zhì)量分數(shù)為30％的溶液。

3)成形血管支架外層的下半層：將配好的明膠溶液裝入注射器活塞筒體(23)，固定到微量泵執(zhí)行機構(gòu)甲(22)上，并將注射器活塞筒體(23)出口與入口導(dǎo)管(24)連接，將模具1(11)和模具2(12)合并在一起，使各自的管道軸線重合。合模之后，設(shè)定微量泵控制器(21)的供料流量為6mL/min，微量泵控制器(21)驅(qū)動微量泵執(zhí)行機構(gòu)甲(22)，推動注射器活塞筒體(23)將明膠溶液從模具1(11)一側(cè)的入口導(dǎo)管(24)注入，直至溶液從模具1(11)另一側(cè)的出口導(dǎo)管(25)流出為止，待明膠溶液凝膠化之后，取下模具2(12)，可得到血管支架外層的下半層結(jié)構(gòu)；

4)成形血管支架內(nèi)層的下半層：將配好的海藻酸鈉溶液裝入注射器活塞筒體(23)，固定到微量泵執(zhí)行機構(gòu)甲(22)上，并將注射器活塞筒體(23)出口與入口導(dǎo)管(24)連接，將模具1(11)和模具3(13)合并在一起，使各自的管道軸線重合。合模之后，設(shè)定微量泵控制器(21)的供料流量為5mL/min，微量泵控制器(21)驅(qū)動微量泵執(zhí)行機構(gòu)甲(22)，推動注射器活塞筒體(23)將海藻酸鈉溶液從模具1(11)一側(cè)的入口導(dǎo)管(24)注入，直至溶液從模具1(11)另一側(cè)的出口導(dǎo)管(25)流出為止，待海藻酸鈉溶液凝膠化之后，取下模具3(13)，可得到血管支架內(nèi)層的下半層結(jié)構(gòu)；

5)犧牲材料的打?。簩⑴浜玫钠绽誓峥薋127材料裝入注射器活塞筒體(33)，固定到微量泵執(zhí)行機構(gòu)乙(32)上，微量泵執(zhí)行機構(gòu)乙(32)固定在三維運動平臺(31)上，計算機控制系統(tǒng)(Ⅳ)將打印路徑的G代碼傳輸?shù)饺S運動平臺(31)中，控制三維運動平臺(31)的電機，使其按照設(shè)計的打印路徑進行運動，設(shè)定三維運動平臺(31)平移的速度為8mm/s，設(shè)定微量泵控制器(35)的供料流量為534μL/min，微量泵控制器(35)驅(qū)動微量泵執(zhí)行機構(gòu)乙(32)，推動注射器活塞筒體(33)將普朗尼克F127材料擠出。

6)成形血管支架內(nèi)層的上半層：將配好的海藻酸鈉溶液裝入注射器活塞筒體(23)，固定到微量泵執(zhí)行機構(gòu)甲(22)上，并將注射器活塞筒體(23)出口與入口導(dǎo)管(24)連接，將模具1(11)和模具4(14)合并在一起，使各自的管道軸線重合。合模之后，設(shè)定微量泵控制器(21)的供料流量為5mL/min，微量泵控制器(21)驅(qū)動微量泵執(zhí)行機構(gòu)甲(22)，推動注射器活塞筒體(23)將海藻酸鈉溶液從模具1(11)一側(cè)的入口導(dǎo)管(24)注入，直至溶液從模具1(11)另一側(cè)的出口導(dǎo)管(25)流出為止，待海藻酸鈉溶液凝膠化之后，取下模具4(14)，可得到血管支架內(nèi)層的上半層結(jié)構(gòu)；

7)成形血管支架外層的上半層：將配好的明膠溶液裝入注射器活塞筒體(23)，固定到微量泵執(zhí)行機構(gòu)甲(22)上，并將注射器活塞筒體(23)出口與入口導(dǎo)管(24)連接，將模具1(11)和模具5(15)合并在一起，使各自的管道軸線重合。合模之后，設(shè)定微量泵控制器(21)的供料流量為6mL/min，微量泵控制器(21)驅(qū)動微量泵執(zhí)行機構(gòu)甲(22)，推動注射器活塞筒體(23)將明膠溶液從模具1(11)一側(cè)的入口導(dǎo)管(24)注入，直至溶液從模具1(11)另一側(cè)的出口導(dǎo)管(25)流出為止，待明膠溶液凝膠化之后，取下模具5(12)，可得到血管支架外層的上半層結(jié)構(gòu)；

8)犧牲材料的去除：將系統(tǒng)置于10℃的環(huán)境中10min，使普朗尼克F127材料液化流出，從而形成中空的管道結(jié)構(gòu)。將支架從模具1(11)取下，即可得到分叉結(jié)構(gòu)三維分層血管支架。