基于3D打印技术的软骨修复系统及其软骨修复方法

摘要

本发明公开了一种基于3D打印技术的软骨修复系统，属于软骨修复技术领域，本发明的修复系统包括3D打印系统和供料系统，所述3D打印系统包括具有多自由度的打印喷头和喷头移动杆，所述打印喷头与喷头移动杆之间设置有可使打印喷头绕移动杆轴径向360°旋转的径向旋转结构。本发明通过具有多自由度的扫瞄仪和打印喷头可在缺损软骨病灶腔内进行全方位扫瞄和打印，仅在关节镜微创条件下即可实现对局灶性软骨缺损进行快速精准修复，可大幅度减小创伤、缩短治疗时间，有效减轻患者痛苦和经济压力。

权利要求

1. 基于3D打印技术的软骨修复系统，包括3D打印系统和供料系统，其特征在于：所述

3D打印系统包括具有多自由度的打印喷头和喷头移动杆，所述打印喷头与喷头移动杆之间设置有可使打印喷头绕移动杆轴径向360°旋转的径向旋转结构，所述径向旋转结构包括与喷头移动杆垂直的转轴和设置于转轴端部的微型步进电源，所述转轴分别与打印喷头和喷头移动杆连接，其中，与打印喷头为固定连接，与喷头移动杆为可转动连接，所述打印喷头的出口处设置有可对软骨缺损部位进行360°空间扫瞄的3D扫描仪和可对打印状态进行实时跟踪的摄像头； 所述供料系统包括提供打印材料的供料管路、与供料连通的盛料盒和管路动力装置，所述供料管路与打印喷头的打印通道连通，所述管路动力装置包括用于挤压供料管路对打印材料产生驱动力的蠕动泵和对打印材料流量进行控制的电磁节流阀，所述打印喷头的打印通道内设置有可将打印材料增压形成喷射状的增压器。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的软骨修复系统，其特征在于：还包括液压系统，所述液压系统包括与喷头移动杆连接的可实现打印喷头多自由度运动的复合运动执行元件、与复合运动执行元件连通的液压油循环回路，以及为复合运动执行元件提供液压驱动力的液压泵，所述复合运动执行元件包括与喷头移动杆固定连接的可驱动其上下移动的第一液压缸、与第一液压缸可转动连接的第二液压缸、分别与第一液压缸和第二液压缸可转动连接的第三液压缸和与第二液压缸可转动连接的第四液压缸。

3.根据权利要求2所述的基于3D打印技术的软骨修复系统，其特征在于：所述第一液压缸活塞的伸出端设置有与活塞同轴的活塞孔，所述活塞孔内设置有使喷头移动杆绕活塞轴向方向作360°转动的轴向旋转机构，所述轴向旋转机构包括设置在活塞和喷头移动杆之间的轴承和设置在喷头移动杆端部进行旋转驱动的微型步进电源。

4.根据权利要求2所述的基于3D打印技术的软骨修复系统，其特征在于：所述液压油循环回路包括用于调节液压油流量的电控流量阀、用于贮存液压油的油池。

5.根据权利要求4所述的基于3D打印技术的软骨修复系统，其特征在于：还包括控制系统，所述控制系统包括信息接收系统、分析处理系统，以及对打印程序或操作指令或打印状态实时监测的显示器，所述信息接收系统与3D扫描仪连接，所述分析处理系统与打印喷头、电磁节流阀、电控流量阀、液压泵及蠕动泵连接。

6.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的软骨修复系统，其特征在于：还包括为3D打印系统、供料系统、液压系统、控制系统提供驱动力的电源系统。

说明书

基于3D打印技术的软骨修复系统及其软骨修复方法

技术领域

[0001] 本发明属于软骨修复技术领域，具体涉及一种基于3D打印技术的软骨修复系统及其软骨修复方法。

背景技术

[0002] 关节软骨缺损临床常见，据统计60％以上膝关节镜手术患者伴有软骨缺损，其中42％为局灶性透明软骨缺损，即缺损的深度不超过钙化软骨层，缺损的面积在2～4cm2之间[1]。由于透明软骨没有血管、神经和淋巴系统，自然修复能力低下，直径超过4mm的缺损几乎不能完全修复。如果不进行及时治疗，损伤将继续加重并引发关节炎，出现关节疼痛肿胀、畸形。

[0003] 对于此类软骨缺损，传统治疗策略是术中采用微骨折方法使骨髓血渗出，利用血凝块中的间充质干细胞增殖、修复软骨缺损，但最终形成的是耐磨性较差的纤维软骨。随着组织工程技术的快速发展，自体软骨细胞移植技术逐渐在临床推广应用，但该技术需要对自体软骨细胞进行体外扩增，然后二次手术植入；由于体外培养难以模拟在体微环境，尤其是缺乏机体免疫系统的监控，植入的软骨细胞通常已经发生表型改变，因此最终形成的修复组织无论在结构上还是成分上都与天然软骨存在本质差异，难以确保其治疗的长期有效性。

[0004] 针对上述问题，在前期对可注射型组织工程软骨研究的基础上，结合国内外最新研究进展，我们提出“应用自体BMSCs复合软骨仿生溶胶基质以三维打印(3DP)方式构建组织工程软骨”新策略，使其具有与缺损相匹配的解剖外形和天然软骨相似的内部空间结构，以期实现修复组织的结构仿生、成分仿生和功能仿生。软骨仿生基质溶胶与天然软骨基质成分相同，具有良好的生物相容性；自体BMSCs具有较强的增殖能力和向软骨细胞分化潜能；3D生物打技术可以实现组织工程软骨具有天然软骨组织结构特征(与缺损相匹配的解剖外形和软骨细胞特有的空间分布规律)；固定在凝胶中的BMSCs在关节腔软骨微环境中理化因素的作用下，增殖、分化成软骨细胞，分泌特异性软骨胞外基质，从而再生形成高质量关节软骨。

[0005] 因此，有必要研究出一种新的软骨修复系统和软骨修复方法，仅在关节镜微创条件下即可实现对局灶性软骨缺损进行快速精准修复，可大幅度减小创伤、缩短治疗时间，有效减轻患者痛苦和经济压力。

发明内容

[0006] 有鉴于此，本发明提供了基于3D打印技术的软骨修复系统及其软骨修复方法，克服了现有技术存在的治疗周期长和安全隐患的问题。

[0007] 本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：

[0008] 基于3D打印技术的软骨修复系统，包括3D打印系统和供料系统，

[0009] 所述3D打印系统包括具有多自由度的打印喷头和喷头移动杆，所述打印喷头与喷头移动杆之间设置有可使打印喷头绕移动杆轴径向360°旋转的径向旋转结构，所述径向旋转结构包括与喷头移动杆垂直的转轴和设置于转轴端部的微型步进电源，所述转轴分别与打印喷头和喷头移动杆连接，其中，与打印喷头为固定连接，与喷头移动杆为可转动连接，所述打印喷头的出口处设置有可对软骨缺损部位进行360°空间扫瞄的3D扫瞄仪和可对打印状态进行实时跟踪的摄像头；

[0010] 所述供料系统包括提供打印材料的供料管路、与供料连通的盛料盒和管路动力装置，所述供料管路与打印喷头的打印通道连通，所述管路动力装置包括用于挤压供料管路对打印材料产生驱动力的蠕动泵和对打印材料流量进行控制的电磁节流阀，所述打印喷头的打印通道内设置有可将打印材料增压形成喷射状的增压器。

[0011] 进一步，还包括液压系统，所述液压系统包括与喷头移动杆连接的可实现打印喷头多自由度运动的复合运动执行元件、与复合运动执行元件连通的液压油循环回路，以及为复合运动执行元件提供液压驱动力的液压泵，所述复合运动执行元件包括与喷头移动杆固定连接的可驱动其上下移动的第一液压缸、与第一液压缸可转动连接的第二液压缸、分别与第一液压缸和第二液压缸可转动连接的第三液压缸和与第二液压缸可转动连接的第四液压缸。

[0012] 进一步，所述第一液压缸活塞的伸出端设置有与活塞同轴的活塞孔，所述活塞孔内设置有使喷头移动杆绕活塞轴向方向作360°转动的轴向旋转机构，所述轴向旋转机构包括设置在活塞和喷头移动杆之间的轴承和设置在喷头移动杆端部进行旋转驱动的微型步进电源。

[0013] 进一步，所述液压油循环回路包括用于调节液压油流量的电控流量阀、用于贮存液压油的油池，所述油池与蠕动泵连通。

[0014] 进一步，还包括控制系统，所述控制系统包括信息接收系统、分析处理系统，以及对打印程序或操作指令或打印状态实时监测的显示器，所述信息接收系统与3D扫瞄仪连接，所述分析处理系统与打印喷头、电磁节流阀、电控流量阀、液压油泵及蠕动泵连接。

[0015] 进一步，还包括为3D打印系统、供料系统、液压系统、控制系统提供驱动力的电源系统。

[0016] 进一步，还包括具有至少有两个腔室的基座，所述第二液压缸、第四液压缸铰接在基座上，所述油池、电源系统分别存放于两个腔室内。

[0017] 本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：

[0018] 采用如上所述基于3D打印技术的软骨修复系统的软骨修复方法，其具体操作步骤为：

[0019] 1)生成3D打印模型：通过复合运动执行元件，将3D打印喷头从设备原点移动至缺损软骨病灶腔内，在复合运动执行元件和旋转机构的共同作用下，通过设置在打印喷头上的3D扫瞄仪对缺损软骨病灶内腔进行全方位扫瞄，并将空间坐标信息发送到信息接收系统生成缺损软骨3D打印模型；

[0020] 2)生成打印程序：信息接收系统将缺损软骨3D打印模型的数字信息发送到分析处理系统，经分析处理系统去噪生成3D打印程序；

[0021] 3)程序调试：对3D打印程序进行检查和调试，确认无误后下达打印指令，否则，重复步骤2)或1)、2)；

[0022] 4)打印过程：在复合运动执行元件和旋转机构的共同作用下，3D打印系统、供料系统、液压系统执行打印程序；

[0023] 5)执行完打印程序后打印结束，各打印部件回到指定原点。

[0024] 进一步，步骤4)中，还包括通过摄像头对打印状态进行实时跟踪监测的过程。

[0025] 进一步，步骤4)中，打印方式为分层打印，每层打印厚度为0.2mm。

[0026] 本发明的有益效果是：

[0027] 本发明通过具有多自由度的扫瞄仪和打印喷头可在缺损软骨病灶腔内进行全方位扫瞄和打印，仅微创病灶表面就可实现对缺损软骨的修复，且不需软骨微粒的制取和培养，可大幅缩短治疗周期和减少治疗成本，有利于减轻患者的病痛折磨和经济压力。

[0028] 本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

[0029] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

[0030] 图1为本发明基于3D打印技术的软骨修复系统的结构示意图；

[0031] 图2为本发明基于3D打印技术的软骨修复系统的局部放大图。

[0032] 附图标记：1-缺损软骨病灶腔；2-打印喷头；3-喷头移动杆；4-径向旋转机构；401-转轴；402-微型步进电源I；5-3D扫瞄仪；6-摄像头；7-供料管路；8-管路动力装置；801-蠕动泵；802电磁节流阀；9-复合运动执行元件；901-第一液压缸；902-第二液压缸；903-第三液压缸；904-第四液压缸；10-液压油循环回路；11-液压泵；12-电控流量阀；13-油池；14-活塞孔；15-轴向旋转机构；151-轴承；152-微型步进电源II；16-信息接收系统；17-分析处理系统；18-显示器；19-电源系统；20-基座；21-盛料盒；22-增压器。

具体实施方式

[0033] 以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

[0034] 如图1及图2所示，本实施例基于3D打印技术的软骨修复系统，包括3D打印系统和供料系统，所述3D打印系统包括具有多自由度的打印喷头1和喷头移动杆2，所述打印喷头1与喷头移动杆2之间设置有可使打印喷头绕移动杆轴径向360°旋转的径向旋转结构，所述径向旋转结构包括与喷头移动杆2垂直的转轴3和设置于转轴3端部的微型步进电源I 4，所述转轴3分别与打印喷头1和喷头移动杆2连接，其中，与打印喷头1为固定连接，与喷头移动杆2为可转动连接，本实施例为球轴承或圆柱轴承连接，使打印喷头1与转轴2的运动一致，可相对于喷头移动杆2作绕转轴3旋转的转动，所述打印喷头1的出口处设置有可对软骨缺损部位进行360°空间扫瞄的3D扫瞄仪5和可对打印状态进行实时跟踪的摄像头6；

[0035] 所述供料系统包括提供打印材料的供料管路7、与供料连通的盛料盒21和管路动力装置8，本实施例的打印材料为干细胞，所述供料管路7与打印喷头1的打印通道即干细胞通道连通，所述管路动力装置8包括用于挤压供料管路对打印材料产生驱动力的蠕动泵801和对打印材料流量进行控制的电磁节流阀802，所述打印喷头1的打印通道内设置有可将打印材料增压形成喷射状的增压器22，可增加打印后的紧密度，提高干细胞的再生能力。

[0036] 本实施例通过径向旋转结构可对同高度的软骨缺损空间进行打印、扫瞄及跟踪，同时，当喷头移动杆作上下运动时，带动打印喷头1及打印喷头1上的3D扫瞄仪和摄像头也作上下运动，实现对不同高度的空间进行打印、扫瞄及跟踪。

[0037] 在本实施例中，还包括液压系统，所述液压系统包括与喷头移动杆连接的可实现打印喷头多自由度运动的复合运动执行元件9、与复合运动执行元件9连通的液压油循环回路10，以及为复合运动执行元件9提供液压驱动力的液压泵11，所述复合运动执行元件9包括与喷头移动杆2固定连接的可驱动其上下移动的第一液压缸901、与第一液压缸901可转动连接的第二液压缸902、分别与第一液压缸901和第二液压缸902可转动连接的第三液压缸903和与第二液压缸902可转动连接的第四液压缸904，通过复合运动执行元件9，可对喷头移动杆2执行多自由度运动，包括前后、左右、上下直线运动及绕第一液压缸901的平面旋转运动，使喷头移动杆2可从任意空间方向进入缺损软骨病灶腔1内，所述液压油循环回路10包括用于调节液压油流量的电控流量阀12、用于贮存液压油的油池13，所述油池13与蠕动泵801连通。

[0038] 在本实施例中，所述第一液压缸901活塞的伸出端设置有与活塞同轴的活塞孔14，所述活塞孔14内设置有使喷头移动杆2绕活塞轴向方向作360°转动的轴向旋转机构15，所述轴向旋转机构16包括设置在活塞和喷头移动杆2之间的轴承151和设置在喷头移动杆2端部进行旋转驱动的微型步进电源II 152，通过同轴设置的活塞孔14，可使喷头移动杆2与活塞同轴，使进入缺损软骨病灶腔1内的喷头移动杆2更小，也使微创伤口更小，也有利于缩小整个打印系统的体积，减轻其质量，通过设置轴向旋转机构15可实现喷头移动杆2与活塞轴向方向的转动，使喷头移动杆2带动打印喷头1在同高度的软骨缺损空间内任意旋转，使打印、扫瞄及跟踪无死角，效果更佳。

[0039] 作为本实施例的改进，还包括控制系统，所述控制系统包括信息接收系统16、分析处理系统17，以及对打印程序或操作指令或打印状态实时监测的显示器18，所述信息接收系统16与3D扫瞄仪5连接，所述分析处理系统17与打印喷头1、电磁节流阀802、电控流量阀12、液压泵11及蠕动泵801连接。通过控制系统可实现对扫瞄过程、打印过程及打印状态的实时跟踪的全程智能化和自动化，使软骨修复过程更准确、可控，且效率更高。

[0040] 作为本实施例的改进，还包括为3D打印系统、供料系统、液压系统、控制系统提供驱动力的电源系统19。

[0041] 作为本实施例的改进，还包括具有至少有两个腔室的基座20，所述第二液压缸、第四液压缸铰接在基座20上，所述油池13、电源系统19分别存放于两个腔室内，使整个系统更整洁、规范，有利于减少操作失误的风险。

[0042] 本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：

[0043] 采用如上所述基于3D打印技术的软骨修复系统的软骨修复方法，其具体操作步骤为：

[0044] 1)生成3D打印模型：通过复合运动执行元件，将3D打印喷头从设备原点移动至缺损软骨病灶腔内，在复合运动执行元件和旋转机构的共同作用下，通过设置在打印喷头上的3D扫瞄仪对缺损软骨病灶内腔进行全方位扫瞄，复合运动执行元件执行复合直线运动，旋转机构作旋转运动，控制3D扫瞄仪在缺损软骨病灶内腔作直线和旋转运动，从而实现多自由度运动，对缺损软骨病灶内腔毫无遗漏的全景扫瞄，使打印模型更精确，并将空间坐标信息发送到信息接收系统生成缺损软骨3D打印模型；由于只需打印移动杆和打印喷头伸进软骨病灶腔内便可实施扫瞄和打印，仅需在缺损软骨表面开个小口，供打印移动杆通过即可，甚至只需原有开口即可，几乎不会对患者带来新的创伤，使患者更易恢复。

[0045] 2)生成打印程序：信息接收系统将缺损软骨3D打印模型的数字信息发送到分析处理系统，经分析处理系统去噪生成3D打印程序；

[0046] 3)程序调试：对3D打印程序进行检查和调试，确认无误后下达打印指令，否则，重复步骤2)或1)、2)；当检查中发现3D打印模型不对，需重新扫瞄缺损软骨，即要重复步骤1)、2)；当仅发现程序不对，仅重复步骤2)即可。

[0047] 4)打印过程：在复合运动执行元件和旋转机构的共同作用下，3D打印系统、供料系统、液压系统执行打印程序；

[0048] 5)执行完打印程序后打印结束，各打印部件回到指定原点。

[0049] 作为本实施例的改进，步骤4)中，还包括通过摄像头对打印状态进行实时跟踪监测的过程，可及时发现打印过程中的错误，并及时纠正。

[0050] 作为本实施例的改进，步骤4)中，打印方式为分层打印，每层打印厚度为30-200um，具体厚度需要与打印环境相适应，本实施例优选为150um,使打印的干细胞分布更均匀和致密，再生能力得到加强。

[0051] 本实施例通过径向旋转结构、轴向旋转结构及复合运动执行元件使软骨修复系统具有多自由度的扫瞄仪和打印喷头可在缺损软骨病灶腔内任意方向进行全方位扫瞄、打印和实时跟踪，仅微创病灶表面就可实现对缺损软骨的修复，且不需软骨微粒的制取和培养，可大幅缩短治疗周期和减少治疗成本，有利于减轻患者的病痛折磨和经济压力。

[0052] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。