基于3D打印技术的特定生长的仿生毛细血管网的制法转让专利
申请号 : CN202010078218.4
文献号 : CN111283998B
文献日 : 2021-06-04
发明人 : 张耀鹏 , 陈杰 , 姚响 , 宋鲁杰 , 苑炜 , 范苏娜 , 傅强 , 邵惠丽
申请人 : 东华大学
摘要 :
权利要求 :
1.基于3D打印技术的特定生长的仿生毛细血管网的制法,其特征是:先利用3D打印技术制备内含三维立体通道和生长因子的水凝胶,再将内皮细胞接种至通道中培养一段时间后,对特定部位补充注射生长因子溶液后继续培养一段时间,得到特定生长的仿生毛细血管网,其中,三维立体通道为人体动脉或静脉血管网络状结构,由多个圆柱状通道组成,相邻两个圆柱状通道的中心距小于等于5mm,水凝胶为可被内皮细胞及其分化出的细胞侵入的水凝胶。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的特定生长的仿生毛细血管网的制法,其特征在于,水凝胶为丝素水凝胶。
3.根据权利要求2所述的基于3D打印技术的特定生长的仿生毛细血管网的制法,其特征在于,内含三维立体通道和生长因子的水凝胶的制备步骤如下:(1)利用3D打印技术构建由多个圆柱体组成的人体动脉或静脉血管网络模型,圆柱体的材质为明胶、海藻酸钠或壳聚糖;
(2)将模型置于注模容器中;
(3)向注模容器中注入丝素蛋白、生长因子、催化剂和交联剂的混合溶液,丝素蛋白、生长因子、催化剂和交联剂的混合溶液由含丝素蛋白、催化剂和交联剂的溶液与生长因子溶液混合而成,含丝素蛋白、催化剂和交联剂的溶液由丝素蛋白溶液、催化剂和交联剂混合而成;
(4)固化;
(5)去除圆柱体,并用水冲洗通道。
4.根据权利要求3所述的基于3D打印技术的特定生长的仿生毛细血管网的制法,其特征在于,圆柱体的直径为0.05~0.8mm;
人体动脉或静脉血管网络模型的构建过程为:首先将明胶、海藻酸钠或壳聚糖溶解配制成浓度为10~20%(w/v)的3D打印溶液,然后将3D打印溶液倒入3D打印装置的料管中,由3D打印装置对构建好的模型进行线形逐层打印,最后对打印得到的产物进行冻干处理,其中,构建好的模型为圆柱体模型,冻干处理后将打印得到的3D圆柱体进行组装即得到人体动脉或静脉血管网络模型,或者构建好的模型为三维立体血管网模型,冻干处理后即得到人体动脉或静脉血管网络模型。
5.根据权利要求4所述的基于3D打印技术的特定生长的仿生毛细血管网的制法,其特征在于,打印参数为:注射压力1.0~2.0bar,打印速度3.0~5.2mm/s,打印喷嘴直径0.26~
0.8mm。
6.根据权利要求3所述的基于3D打印技术的特定生长的仿生毛细血管网的制法,其特征在于,注模容器的内表面涂有脱模剂,注模容器的材质为PDMS或PMMA。
7.根据权利要求3所述的基于3D打印技术的特定生长的仿生毛细血管网的制法,其特征在于,丝素蛋白溶液的制备过程为:在温度为27~40℃的条件下,将蚕丝纤维在浓度为
9.0~9.3M的溴化锂溶液中溶解1~3h后在水中透析除盐并浓缩。
8.根据权利要求3所述的基于3D打印技术的特定生长的仿生毛细血管网的制法,其特征在于,丝素蛋白溶液的浓度为5~15wt%,向注模容器中注入的生长因子溶液的浓度为50~100ng/ml,丝素蛋白溶液与向注模容器中注入的生长因子溶液的体积比为1~5:1。
9.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的特定生长的仿生毛细血管网的制法,其特征在于,接种过程为:将浓度为50~150cells/ml的内皮细胞分散液灌注到通道中,震荡5~
20min;培养一段时间是指培养7~14d;补充注射的生长因子溶液的浓度为50~100ng/ml,注射量为水凝胶体积的10~50%;继续培养一段时间是指培养7~14d。
10.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的特定生长的仿生毛细血管网的制法,其特征在于,生长因子为VEGF、MCP‑1、bFGF、S1P和PMA中的一种以上,或者为HGF与VEGF、MCP‑1、bFGF、S1P和PMA中的一种以上的组合。
说明书 :
基于3D打印技术的特定生长的仿生毛细血管网的制法
技术领域
背景技术
作为细胞间融合、交融的媒介,由于其光学透明性、低毒性、生物惰性,使其在微流体凝胶系
统中得到广泛的生物和化学应用。但是,PDMS微流体装置存在如下缺点:
适性,且最终的水凝胶还存有尺寸变化的现象,同时制备得到的微流体血管网络只含有通
道主干,无血管支干,进而无法形象地模拟生物体内血液流动;此外,当前多层组装的水凝
胶微流体的相邻层之间的强度及整体水凝胶的刚度也亟待解决。
发明内容
印技术的特定生长的仿生毛细血管网的制法。
人微血管内皮细胞(HMVEC))接种至通道中培养一段时间后,对特定部位补充注射生长因子
溶液后继续培养一段时间,得到特定生长的仿生毛细血管网,其中,三维立体通道为人体动
脉或静脉血管网络状结构,由多个圆柱状通道组成,相邻两个圆柱状通道的中心距小于等
于5mm(具体为0.3~5mm),水凝胶为可被内皮细胞及其分化出的细胞侵入的水凝胶。相邻两
个圆柱通道的中心距是受生长因子浓度的影响,当两个相邻的圆柱通道过近,会导致中间
水凝胶厚度很薄,在给与较高压力促使血液在微流体水凝胶中流动,存在血管破裂的潜在
因素;当两个相邻的圆柱通道过远,会造成血管支路生长天数增长,在同样的细胞培养天数
下,增加通道距离,会使血管间可能并不互通,血管周围仅长有无数的毛细血管。
长因子可以改变血管的疏密程度,以达到特定部位血管支路多、特定部位血管支路少的目
的。
保护范围。
子、催化剂和交联剂的混合溶液由含丝素蛋白、催化剂和交联剂的溶液与生长因子溶液混
合而成,含丝素蛋白、催化剂和交联剂的溶液由丝素蛋白溶液、催化剂和交联剂混合而成;
采用浓度为2~5wt%的冰乙酸溶液溶解的方式去除;圆柱体的材质为海藻酸钠时,采用浓
度为2~5wt%的碳酸钠溶液溶解的方式去除。
打印,最后对打印得到的产物进行冻干处理(打印产物类似于果冻,如过没有经过冻干处
理,在后续浇注过程中容易变形),其中,构建好的模型为圆柱体模型,冻干处理后将打印得
到的3D圆柱体进行组装即得到人体动脉或静脉血管网络模型,或者构建好的模型为三维立
体血管网模型,冻干处理后即得到人体动脉或静脉血管网络模型。
酸甲酯,俗称有机玻璃),注模容器的要求为具有光学透明性且疏水,具有光学透明性便于
在制备血管网络过程中观察制备情况,疏水便于脱模。
在浓度为0.5wt%的碳酸钠溶液中煮沸两次以除去丝胶,再在去离子水中漂洗并通过强制
空气流干燥)在浓度为9.0~9.3M的溴化锂溶液中溶解1~3h后在水中透析除盐并浓缩。
溶液与向注模容器中注入的生长因子溶液的体积比为1~5:1,由于圆柱通道的中心距不
同,在同样的圆柱通道中心距和培养天数下,过低的生长因子浓度会使血管间可能并不互
通,血管周围仅长有无数的毛细血管,生长因子浓度过高,相邻近的通道则存在融合为一个
血管通道的潜在影响。此外,不同的生长因子对内皮细胞入侵水凝胶的作用强度大小不同。
紧贴血管通道内壁(内皮细胞会受生长因子的浓度梯度的影响,内皮细胞会在培养过程中
分化出侵入丝素水凝胶的尖端细胞,尖端细胞首先侵入水凝胶主体,并会伴随由内皮细胞
分化出的茎细胞的迁移,然后逐渐形成丝状伪足和管腔以及继续向梯度方向生长,最终形
成人体的小动脉或小静脉以及毛细血管网);培养一段时间是指培养7~14d;补充注射的生
长因子溶液的浓度为50~100ng/ml,注射量为水凝胶体积的10~50%;继续培养一段时间
是指培养7~14d。
子)、PMA(佛波醇12‑肉豆蔻酸酯13‑乙酸酯)和S1P(1‑磷酸鞘氨醇)中的一种以上,或者为
HGF(肝细胞生长因子)与VEGF、MCP‑1、bFGF、S1P和PMA中的一种以上的组合;在同样的浓度
条件下,使用不同生长因子时作用强度大小关系为:S1P>PMA>VEGF>=MCP‑1>bFGF>HGF=0
(肝细胞生长因子不能单独使用,需要配合其他生长因子使用),上述生长因子混合使用,作
用效果会增强。
计不一致的现象;同时,采取浇注一次成形避免了相邻层水凝胶粘合不牢的现象,提升了整
体水凝胶微流体机械性能,还避免了多层制备后水凝胶存在漏浆的现象;
高于多层组装方法;
物体内血液流动;
附图说明
具体实施方式
人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限
定的范围。
液倒入3D打印装置的料管中,由3D打印装置对圆柱体模型进行线形逐层打印,最后对打印
得到的产物进行冻干处理,然后将打印得到的3D圆柱体进行组装即得到人体静脉血管网络
模型;其中,圆柱体的直径为0.05mm;打印参数为:注射压力1bar,打印速度3mm/s,打印喷嘴
直径0.26mm;
温度为27℃的条件下,将蚕丝纤维在浓度为9M的溴化锂溶液中溶解1h后在水中透析除盐并
浓缩,得到浓度为5wt%的丝素蛋白溶液,再向5wt%的丝素蛋白溶液中加入HRP以及H2O2得
到含丝素蛋白、催化剂和交联剂的溶液,其中,含丝素蛋白、催化剂和交联剂的溶液中HRP的
浓度为20unit/ml,H2O2的浓度为0.01wt%;
与VEGF溶液的体积比为1:1;
二和第三象限的交线(注射部位的象限图如图3所示)补充注射浓度为50ng/ml的生长因子
溶液后继续培养7d,得到特定生长的仿生毛细血管网,其中,相邻两个圆柱状通道的中心距
为0.3mm,生长因子溶液的注射量为水凝胶体积的10%。
打印装置的料管中,由3D打印装置对三维立体血管网模型进行线形逐层打印,冻干处理后
即得到人体静脉血管网络模型;其中,圆柱体的直径为0.3mm;打印参数为:注射压力
1.3bar,打印速度3.7mm/s,打印喷嘴直径0.45mm;
温度为35℃的条件下,将蚕丝纤维在浓度为9.1M的溴化锂溶液中溶解1.5h后在水中透析除
盐并浓缩,得到浓度为10wt%的丝素蛋白溶液,再向10wt%的丝素蛋白溶液中加入氯化三
(2,2'‑联吡啶)钌(II)六水合物和过硫酸铵得到含丝素蛋白、催化剂和交联剂的溶液,其
中,含丝素蛋白、催化剂和交联剂的溶液中氯化三(2,2'‑联吡啶)钌(II)六水合物的浓度为
10mM,过硫酸铵的浓度为20mM;
与MCP‑1溶液的体积比为3:1;
射部位的象限图如图3所示)补充注射浓度为80ng/ml的生长因子溶液后继续培养10d,得到
特定生长的仿生毛细血管网,其中,相邻两个圆柱状通道的中心距为0.4mm,生长因子溶液
的注射量为水凝胶体积的25%。
将3D打印溶液倒入3D打印装置的料管中,由3D打印装置对三维立体血管网模型进行线形逐
层打印,冻干处理后即得到人体静脉血管网络模型;其中,圆柱体的直径为0.7mm;打印参数
为:注射压力1.6bar,打印速度4.5mm/s,打印喷嘴直径0.67mm;
温度为37℃的条件下,将蚕丝纤维在浓度为9.2M的溴化锂溶液中溶解2.5h后在水中透析除
盐并浓缩,得到浓度为13wt%的丝素蛋白溶液,再向13wt%的丝素蛋白溶液中加入HRP以及
H2O2得到含丝素蛋白、催化剂和交联剂的溶液,其中,含丝素蛋白、催化剂和交联剂的溶液中
HRP的浓度为50unit/ml,H2O2的浓度为0.01wt%;
bFGF溶液的体积比为4:1;
(注射部位的象限图如图3所示)补充注射浓度为100ng/ml的生长因子溶液后继续培养14d,
得到特定生长的仿生毛细血管网,其中,相邻两个圆柱状通道的中心距为0.35mm,生长因子
溶液的注射量为水凝胶体积的50%。
装置的料管中,由3D打印装置对圆柱体模型进行线形逐层打印,最后对打印得到的产物进
行冻干处理,然后将打印得到的3D圆柱体进行组装即得到人体静脉血管网络模型;其中,圆
柱体的直径为0.8mm;打印参数为:注射压力2bar,打印速度5.2mm/s,打印喷嘴直径0.8mm;
温度为40℃的条件下,将蚕丝纤维在浓度为9.3M的溴化锂溶液中溶解3h后在水中透析除盐
并浓缩,得到浓度为15wt%的丝素蛋白溶液,再向15wt%的丝素蛋白溶液中加入氯化三(2,
2'‑联吡啶)钌(II)六水合物和过硫酸铵得到含丝素蛋白、催化剂和交联剂的溶液,其中,含
丝素蛋白、催化剂和交联剂的溶液中氯化三(2,2'‑联吡啶)钌(II)六水合物的浓度为10mM,
过硫酸铵的浓度为20mM;
的体积比为1:1,步骤(1.3)的丝素蛋白溶液与VEGF和MCP‑1的混合溶液的体积比为5:1;
(注射部位的象限图如图3所示)补充注射浓度为85ng/ml的生长因子溶液后继续培养11d,
得到如图5所示特定生长的仿生毛细血管网,其中,相邻两个圆柱状通道的中心距为0.5mm,
生长因子溶液的注射量为水凝胶体积的20%。
VEGF、MCP‑1、bFGF和S1P。
MCP‑1、PMA和S1P。