專利名稱：一種特定形狀組織工程支架及其構(gòu)建方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，更具體地涉及應(yīng)用于整復(fù)外科顱頜 面外科領(lǐng)域的組織工程化軟骨的制備方法及用途。
背景技術(shù)：
因先天性小耳畸形、外傷、腫瘤造成的外耳缺損或缺失在臨床中較為常見； 問前治療的手段主要是切取的自體肋軟骨，對其雕刻成形重建患耳；但其不同 程度地存在造型不----，繼發(fā)缺損等問題。因先天性外鼻畸形、外傷、腫瘤造成 的外鼻缺損或缺失在臨床中較為常見；目前治療的手段主要是應(yīng)用額部帶蒂皮 瓣，顳淺耳后血管蒂的耳后島狀皮瓣，前臂皮管以及顯微外科方法修復(fù)或重建 外鼻。同時(shí)，每位患者因面部輪廓間的差異，民族、信仰、個(gè)性以及審美觀不 同，對鼻外形有不同的要求。但是，在應(yīng)用皮瓣等修復(fù)后的鼻外形往往缺乏個(gè) 性，尤其^在全鼻lff造的過程中。
組織工程技術(shù)的出現(xiàn)為無(微)創(chuàng)修殘補(bǔ)缺提供了可能。目前軟骨組織工 程技術(shù)利用自體軟骨細(xì)胞或成體干細(xì)胞作為種子細(xì)胞，接種在具有三維多孔結(jié) 構(gòu)的可降解支架上，最終形成軟骨組織以修復(fù)缺損。而當(dāng)前支架材料方面最常 選用的是聚羥基乙酸(PGA)，因其具有良好的生物相容性和生物可降解性， 并充分證實(shí)了其與人軟骨細(xì)胞及骨髓基質(zhì)干細(xì)胞復(fù)合構(gòu)建成熟軟骨組織的穩(wěn) 定效果。但是，要將棉絮樣的無紡PGA纖維加工預(yù)塑形成精確的耳廓、外鼻形 態(tài)一直是一大難題。
目前已有的報(bào)道所制作的耳廓模型支架均為對健康耳廓手工取模所得，所 得耳廓為自體正常耳廓，缺乏臨床應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，己有報(bào)道多選用凝膠類支 架直接進(jìn)行體內(nèi)埋植構(gòu)建，這樣既不利于用于人體，也不利于應(yīng)用骨髓基質(zhì)干 細(xì)胞作為種子細(xì)胞進(jìn)行構(gòu)建，更不利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。全外鼻模型支架由于取模 復(fù)雜，尚無報(bào)道。
因此本領(lǐng)域迫切需要開發(fā)方便、安全、組織相容性好、可用于臨床修復(fù)具 有特定形狀的組織用的修復(fù)體支架材料，尤其是可用于臨床修復(fù)用的顱頜面軟骨修復(fù)體支架材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種具有特定形狀的組織工程支架的制備方法。 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種由上述制備方法獲得的具有特定形狀的 組織工程支架。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供上述制備方法獲得的具有特定形狀的組織工 程支架的用途。
在本發(fā)明的第一方面，提供了一種組織工程支架的制備方法，所述的組織 工程支架具有特定形狀，所述的特定形狀選自耳廓、外鼻、鼻假體、頦假體及 其他人體組織或器官形態(tài)，所述方法包括步驟
(1) 應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)構(gòu)建對應(yīng)于所述特定形狀的數(shù)字模型
(2) 基于步驟(1)所獲得的數(shù)字模型，制作對應(yīng)于所述特定形狀組織或器官 的實(shí)體陰模；
(3) 將醫(yī)學(xué)上可接受的生物可降解材料注入步驟(2)所獲得的實(shí)體陰模中， 從而制得具有特定形狀的組織工程支架。
在另一優(yōu)選例中，步驟(l)中包括用CT掃描所述特定形狀的組織或器官，
并將CT掃描獲得的圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字模型。
在另--優(yōu)選例中，用CT掃描的對象是所述組織工程化支架所施用的對象。 在另-優(yōu)選例中，將圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字模型的方法和過程包括以下多種不同
的選擇-
(A) 直接轉(zhuǎn)換成與原圖像完全一致的數(shù)字模型；
(B) 通過鏡影分割法將原圖像轉(zhuǎn)換成與原圖像完全鏡像對稱的數(shù)字模型；
或
(C) 在方法A或B的基礎(chǔ)上，新轉(zhuǎn)換的數(shù)字模型可以按某一特定比例進(jìn)行 放大或縮小，特定形狀保持不變。
在另 一 優(yōu)選例中，在步驟(2)中將步驟(1)獲得的數(shù)字模型制作出對應(yīng)于所 述特定形狀組織或器官的實(shí)體陰模。
在另一優(yōu)選例中，將步驟(l)所獲得的數(shù)字模型導(dǎo)入快速成形機(jī)，加工成 型實(shí)體陰模。
在另一優(yōu)選例中，將通過鏡影分割技術(shù)構(gòu)建的鏡像數(shù)字模型導(dǎo)入快速成形 機(jī)，加工成與原CT掃描組織或器官完全鏡像對稱的實(shí)體陰模。
在另一優(yōu)選例中，將步驟(l)所獲得的數(shù)字模型按某一特定比例進(jìn)行放大 或縮小后導(dǎo)入快速成形機(jī)，加工成與原CT掃描組織或器官形狀完全一致或鏡 像對稱，但體積放大或縮小了 一定比例的實(shí)體陰模。
在另一優(yōu)選例中，步驟(3)中所述的醫(yī)學(xué)上可接受的生物可降解材料包括 以下
(a) 川以填充實(shí)體陰模的生物可降解材料，選自聚羥基乙酸(PGA)、聚 羥基丁酸、聚酸酐、聚偶磷氮、聚氨基酸、假聚氨基酸、聚原酸酯、聚酯尿 烷、聚碳酸酯、聚乙二醇、聚環(huán)氧乙烷、聚對二氧六環(huán)酮、膠原、明膠、糖 氨聚糖、殼聚糖、甲殼素、脫細(xì)胞基質(zhì)，或其混合物。
(b) 用以塑型增加力學(xué)強(qiáng)度的生物可降解材料，選自聚乳酸(PLA)。
在另 一優(yōu)選例中，用于填充陰模的生物可降解材料和用以塑型的生物可降 解材料的質(zhì)量比為2—10: 1。
在另優(yōu)選例中，所述制備方法還包括步驟
(4)將種子細(xì)胞接種在步驟(3)所得到的具有特定形狀的組織工程支架上， 形成具有特定形狀的組織工程移植物。
在本發(fā)明的第二方面，提供了一種如上述的制備方法得到的組織工程支架。
在本發(fā)明的第二:方面，提供了一種如上述的組織工程支架的用途，所述支 架可用于制備組織工程移植物。
在另一優(yōu)選例中，所述的組織工程移植物用于修復(fù)顱頜面先天性畸形及損 傷，其中包括外耳、外鼻、下頦等組織或器官的局部及完全缺損。
據(jù)此，本發(fā)明提供了一種方便、安全、組織相容性好、可用于臨床修復(fù)具 有特定形狀的組織用的修復(fù)體支架材料，尤其是可用于臨床修復(fù)用的顱頜面軟 骨修復(fù)體支架材料。


圖1顯示了計(jì)算機(jī)重建的實(shí)施例1的病例的頭顱模型；左為正位，右為側(cè)位。
圖2顯示了實(shí)施例1的患者半側(cè)顏面鏡影成像情況。
圖3顯示了實(shí)施例1的耳廓實(shí)體陰模；左為前面部分，右為后面部分。 圖4顯示了實(shí)施例1中應(yīng)用樹脂陰模壓制出的硅橡膠耳廓陽模(左)與
PGA-PLA支架(右)。
圖5顯示了計(jì)算機(jī)重建的實(shí)施例2中的外鼻模型，左為正位，右為側(cè)位。 閣6顯示了實(shí)施例2的外鼻實(shí)體陰模左為前面部分，右為后面部分。 閣7顯示了實(shí)施例2中快速成形出的外鼻陽模(左)與壓制出的PGA-PLA
支架(右)。
圖8顯示了 PLGA支架(電鏡500倍)；其中PLA/(PGA+PLA)的比例是 第--行從左至右為0%, 10%， 20%;第2行從左至右為30%, 40%， 50%。 圖9顯示了PLGA支架(電鏡1000倍)；其中PLA/(PGA+PLA)的比例是 第 -行從左至右為0%， 10%， 20%;第2行從左至右為30%' 40%， 50%。 圖10顯示了實(shí)施例3的病例耳廓支架復(fù)合軟骨細(xì)胞體外培養(yǎng)4周(第1 行)，8周(第2行)及12周(第3行)的大體觀(第1歹ij)，服染色(第2 列)，Saffranin' 0染色(第3列)及II型膠原免疫組化染色(第4列)的 情況。
具體實(shí)施例方式
發(fā)明人經(jīng)過廣泛而深入的研究，意外地發(fā)現(xiàn)，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和快速成 形機(jī)獲得患者顱頜面修復(fù)體的陰模，因此陰模形狀與患者顱頜面結(jié)構(gòu)和諧、具 有個(gè)性，而且可以按比例擴(kuò)大或縮?。辉陉幠Ｖ刑畛湟陨锟山到獠牧媳隳艿?到個(gè)性化的患者顱頜面修復(fù)體支架。在該支架上接種種子細(xì)胞，經(jīng)誘導(dǎo)能得到 患者顱頜面修復(fù)體移植物。
定義
如本文所用，"特定形狀"是指動(dòng)物體中占據(jù)一定空間的三維組織形狀， 較佳地是指動(dòng)物體中具有個(gè)體差異性的三維組織形狀，更佳地是指動(dòng)物顱頜面 中的三維組織形狀，例如但不限于，耳廓修復(fù)體、外鼻修復(fù)體、鼻假體及頦假
體形狀。所述的動(dòng)物體優(yōu)選哺乳動(dòng)物，更優(yōu)選人。
如本文所用，"醫(yī)學(xué)上可接受的生物可降解材料"或"生物可降解材料" 包括(伹并不限于)
(a) 可降解性合成高分子材料，例如聚a-羥基酸(如聚乳酸PLA、聚羥基 乙酸PGA、聚羥基丁酸PHB等)、聚酸酐(polyanhydrides)、聚偶磷氮 (polyphosphazenes)、 聚氨基酸 (polyamino acid)、 假聚氨基酸 (pesudo—polyamino acid)、 聚原酸酉旨(polyorthoesters)、 聚酉旨尿院 (polyesterurethane)、聚碳酸酉旨(polycarbonate)、聚乙二醇、聚對二氧六 環(huán)酮(po 1 ydioxanone)等；
(b) 天然可降解材料，例如膠原(collagen)、明膠(gelatin)、糖氨聚糖 (gly(:osamin()gLycan， GAGs)、殼聚糖(ch l tosan)、甲殼素(chiUn)、海藻酸
鹽、藻酸鈣凝膠等；各種脫細(xì)胞基質(zhì)；
(c) 可注射性材料，如Pluronic(—種市售的聚環(huán)氧乙丙烯商品)、藻酸鈣 凝膠等；
(d) 上述材料的混合物或復(fù)合材料，尤其是高分子材料與天然材料的復(fù)合 材料，以及固體材料與可注射性材料的復(fù)合材料。
較佳地是PLGA、聚羥基丁酸、聚酸酐、聚偶磷氮、聚氨基酸、假聚氨基酸、 聚原酸酯、聚酯尿烷、聚碳酸酯、聚乙二醇、聚環(huán)氧乙烷、聚對二氧六環(huán)酮、 膠原、明膠、透明質(zhì)酸、糖氨聚糖、殼聚糖、甲殼素、海藻酸鹽、脫細(xì)胞基質(zhì)， 及其共聚物或混合物。更佳地是已被美國FDA批準(zhǔn)用于醫(yī)學(xué)臨床治療的PGA和
Pl丄
如本文所用，"組織工程化支架"或"支架"是指具有特定形狀的、由生 物可降解材料構(gòu)成的架子，可用于接種種子細(xì)胞。
如本文所用，"修復(fù)體"是指在組織工程化支架上接種了種子細(xì)胞后，經(jīng) 誘導(dǎo)分化培養(yǎng)而得到的組織工程化移植物，它可用于修復(fù)動(dòng)物體中、有缺損的、 占據(jù)--定空間的組織。較佳地是指可用于修復(fù)動(dòng)物體中具有個(gè)體差異性的三維 組織的組織工程化移植物，更佳地是指修復(fù)動(dòng)物顱頜面中、有缺損的三維組織 的組織工程化移植物，例如但不限于，耳廓修復(fù)體、外鼻修復(fù)體、鼻假體及頦 假體形狀。所述的動(dòng)物體優(yōu)選哺乳動(dòng)物，更優(yōu)選人。
如本文所用，"顱頜面修復(fù)體"是可用于修復(fù)動(dòng)物顱頜面中有缺損的、占 據(jù)一定空間的組織的修復(fù)體的統(tǒng)稱。包括但不限于，耳廓修復(fù)體、外鼻修復(fù)體、
鼻假體及頦假體形狀。所述的動(dòng)物體優(yōu)選哺乳動(dòng)物，更優(yōu)選人。
如本文所用，"計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)"或"CAD"是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，處理 計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并在顯示器或繪圖儀上產(chǎn)生設(shè)計(jì)圖的一種方法。 優(yōu)選三維幾何造型設(shè)計(jì)。
如本文所用，"數(shù)字模型"是指用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)所獲得的動(dòng)物體中具有 特定形狀的組織的三維幾何造型，較佳地是動(dòng)物顱頜面中具有個(gè)體差異性的三 維組織的幾何造型，例如但不限于，耳廓修復(fù)體、外鼻修復(fù)體、鼻假體及頦假 體形狀。所述的動(dòng)物體優(yōu)選哺乳動(dòng)物，更優(yōu)選人。
如本文所用，"快速成形(Rapid prototyping, RP)"是一種基于離散堆 積成形原理，綜合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、數(shù)控技術(shù)，激光和新材料等多 門技術(shù)的新興數(shù)字化成形技術(shù)。在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)CT數(shù)據(jù)或物體的CAD 模型，對材料進(jìn)行精確的堆積制造原型。
如本文所用，"快速成形機(jī)"是指可進(jìn)行可以"分層制造，逐層疊加"的 機(jī)器。它在無需準(zhǔn)備任何模具、刀具和工裝卡具的情況下，直接接受產(chǎn)品CAD 數(shù)據(jù)，快速制造出新產(chǎn)品的樣件、模具或模型。
如本文所用，"實(shí)體陰模"是指由快速成形機(jī)加工成型的模具，優(yōu)選具有 特定形狀的模具，更佳地是具有顱頜面修復(fù)體的形狀的模具，如但不限于，具 有耳廓修復(fù)體、外鼻修復(fù)體、鼻假體及頦假體形狀的模具。其表面可涂以本領(lǐng) 域常規(guī)的材料，較佳地是高分子材料，更佳地是薄層樹脂。
如本文所用，"鏡影分割"是指以患者健側(cè)耳廓作為模板通過計(jì)算機(jī)輔助 設(shè)計(jì)鏡影成像并行適當(dāng)分割調(diào)整獲得修復(fù)體模型。
組織工程化支架
本發(fā)明提供了一種制備組織工程化支架的方法，它包括步驟
(1) 應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)構(gòu)建動(dòng)物體組織的數(shù)字模型；
(2) 將步驟(1)獲得的數(shù)字模型導(dǎo)入快速成形機(jī)加工成型出動(dòng)物體組織的 實(shí)體陰模；
(3) 將醫(yī)學(xué)上可接受的生物可降解材料加入步驟(2)所獲得的實(shí)體陰模中 得到組織工程化支架。
所述的動(dòng)物體優(yōu)選哺乳動(dòng)物，最佳的是人。
所述的動(dòng)物體組織包括但不限于顱頜面部器官及填充物，較佳地選自鼻
假體、頦假體，更佳地選自外耳和外鼻。
可以使用本領(lǐng)域常規(guī)的方法獲得動(dòng)物體組織的圖像數(shù)據(jù)，較佳地是對組織
進(jìn)行CT掃描獲得圖像，再經(jīng)轉(zhuǎn)化得到數(shù)據(jù)。將所得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過本領(lǐng)域常規(guī)
的醫(yī)學(xué)軟件處理得到數(shù)字模型。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選例中使用鏡影分割得到個(gè)性化數(shù)字模型。 將切割生成的數(shù)字模型導(dǎo)入本領(lǐng)域常規(guī)的快速成形機(jī)中得到個(gè)性化實(shí)體陰模。
在得到的陰模中加入生物可降解材料。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選例中至少加入 兩種生物可降解材料。 一種用于壓型以填充陰模， 一種用于塑形以增加支架的 強(qiáng)度?？梢允褂帽绢I(lǐng)域常規(guī)的生物可降解材料填充陰模，優(yōu)選聚羥基乙酸 (PGA)?？梢允褂帽绢I(lǐng)域常規(guī)的生物可降解材料進(jìn)行塑形，優(yōu)選聚乳酸(PLA)。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選例中，所述的用于填充陰模的生物可降解材料和用以 塑形的生物可降解材料的質(zhì)量比為2—10: 1，較佳地為3 — 8: 1，更佳地為4
一6: 1。
在木發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選例中以小耳病人全頭顱CT數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)醫(yī)學(xué)圖
像處理軟件重建的患者全頭顱數(shù)字模型，通過鏡影與分割構(gòu)建一個(gè)與病人健側(cè) 環(huán)廓完全對稱的數(shù)字模型?；卺t(yī)學(xué)圖像處理軟件，將一個(gè)長方體數(shù)字模型與 卜述耳廓數(shù)字模型進(jìn)行布爾減運(yùn)算，可以獲得與健側(cè)耳廓完全對稱的耳廓陰模 數(shù)字模型。該陰模的數(shù)字模型導(dǎo)入到快速成形機(jī)即可加工成型出個(gè)性化的耳廓
實(shí)體陰模。結(jié)合個(gè)性化的耳廓實(shí)體陰模、PGA壓型和PLA塑形即可制作得到精 確耳廓形態(tài)的材料支架，從而為應(yīng)用組織工程技術(shù)構(gòu)建精確形態(tài)的個(gè)性化耳廓 軟骨提供支架材料。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選例中以鼻外形良好的病人全頭顱CT數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根 據(jù)醫(yī)學(xué)圖像處理軟件重建的患者全頭顱數(shù)字模型，通過分割構(gòu)建外鼻數(shù)字模 型，對這些外鼻數(shù)字模型儲(chǔ)存，并建立數(shù)據(jù)庫，以供有不同需求的患者選擇。 基于醫(yī)學(xué)圖像處理軟件，將一個(gè)長方體數(shù)字模型與上述外鼻數(shù)字模型進(jìn)行布爾 減運(yùn)算，可以獲得與外鼻形態(tài)完全一致的外鼻陰模數(shù)字模型。該陰模的數(shù)字模 型導(dǎo)入到快速成形機(jī)即可加工成型出個(gè)性化的外鼻實(shí)體陰模。結(jié)合個(gè)性化的外 鼻實(shí)體陰模、PGA壓型和PLA塑形即可制作得到精確外鼻形態(tài)的材料支架，從 而為應(yīng)用組織工程技術(shù)構(gòu)建精確形態(tài)的個(gè)性化外鼻軟骨提供支架材料。
本發(fā)明提供的技術(shù)體系也完全適用于人體其它形態(tài)組織或器官的三維重
建及支架材料制作，而且還可以通過CAD在計(jì)算機(jī)上對目標(biāo)進(jìn)行縮放和修飾等 精確處理，以便滿足各類特定需求。
移植物
將種子細(xì)胞接種在本發(fā)明提供的組織工程化支架上，經(jīng)過誘導(dǎo)分化形成相 應(yīng)的移植物。
可以使用本領(lǐng)域熟知的種子細(xì)胞。種子細(xì)胞的分離、培養(yǎng)、體外擴(kuò)增方法 是本領(lǐng)域中熟知的。種子細(xì)胞的來源沒有特別限制，包括人或動(dòng)物的各種間
充質(zhì)r細(xì)胞(如骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、脂肪干細(xì)胞、肌肉干細(xì)胞、真皮多潛能干
細(xì)胞等)和胚胎干細(xì)胞，優(yōu)選間充質(zhì)干細(xì)胞(Mesenchymal Stem Cells, MSCs)。 也可以將原代一第3代的成體細(xì)胞接種在本發(fā)明提供的組織工程化支架
上，經(jīng)過進(jìn)一步的誘導(dǎo)形成相應(yīng)的移植物
細(xì)胞-生物材料復(fù)合物的細(xì)胞接種濃度通常約為1X107ml至7X107ml
或更高。
可以使用本領(lǐng)域常規(guī)的誘導(dǎo)、培養(yǎng)液進(jìn)行誘導(dǎo)、培養(yǎng)。
本發(fā)明的個(gè)優(yōu)選例中提供了耳廓軟骨移植物。在本發(fā)明的另 一 優(yōu)選例中
提供了外鼻軟骨移棺物。
本發(fā)明提到的上述特征，或?qū)嵤├岬降奶卣骺梢匀我饨M合。本案說明書所 揭不的所有特征可與任何組合物形式并用，說明書中所揭示的各個(gè)特征，可以任何 可提供相同、均等或相似目的的替代性特征取代。因此除有特別說明，所揭示的特 征僅為均等或相似特征的一般性例子。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于
1、 本發(fā)明提供的支架制備方法在顱頜面移植物的外形匹配中具有獨(dú)特的 優(yōu)勢；
2、 本發(fā)明通過聯(lián)合應(yīng)用CAD、快速成形與組織工程支架材料制備技術(shù)，建 立了制作個(gè)性化精確耳廓、外鼻形態(tài)組織工程支架材料的技術(shù)平臺(tái)，可以利用 組織工程技術(shù)構(gòu)建特定形狀的軟骨組織；
3、 本發(fā)明提供的技術(shù)能夠直接快速成形得到具有特定外形和內(nèi)部孔隙的 三維生物材料，為組織工程產(chǎn)品真正應(yīng)用于臨床奠定基礎(chǔ)。
4、本發(fā)明提供的技術(shù)還可以根據(jù)需要制作出與原組織或器官特定形狀完 全鏡像對稱以及體積放大或縮小了一定比例的組織工程支架，以滿足科學(xué)研究 及臨床應(yīng)用對組織工程支架形狀和大小的不同需求。
下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說 明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。下列實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方 法，通常按照常規(guī)條件或按照制造廠商所建議的條件。除非另外說明，否則所 冇的百分比和份數(shù)按重量計(jì)。
除4 N另行定義，文中所使用的所有專業(yè)與科學(xué)用語與本領(lǐng)域熟練人員所熟 悉的意義相同。此外，任何與所記載內(nèi)容相似或均等的方法及材料皆可應(yīng)用于 本發(fā)明方法中。文中所述的較佳實(shí)施方法與材料僅作示范之用。
實(shí)施例1
個(gè)性化耳廓修復(fù)體支架的制作
材料和方法 l.材料
1. l器材
購自通用公司的16排螺旋CT (GE LIGHT SPEED 16 SLICES);購自上海 交通大學(xué)的醫(yī)學(xué)斷層處理軟件；購自Z CORPORATION的快速成形機(jī)。 1.2臨床病歷資料
隨機(jī)選取上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院整復(fù)外科臨床小耳病例3例。
2. 方法
2. 1 CT掃描
病例甲全頭顱實(shí)行連續(xù)薄層CT容積掃描。掃描設(shè)備為美國通用公司16排 螺旋CT，每層0.625mm，平均136層。旋轉(zhuǎn)角度216° ，曝光時(shí)間0. 1S。所有 圖象經(jīng)數(shù)字接口傳至GE公司圖形工作站，DICOM數(shù)據(jù)刻盤輸出。
2.2數(shù)字化全頭顱三維重建
采用上海交通大學(xué)的醫(yī)學(xué)斷層處理軟件讀取DIC0M數(shù)據(jù)，調(diào)整圖像灰度， 選取全頭顱軟、硬組織的閾值范圍，經(jīng)自動(dòng)三維疊加運(yùn)算，形成全頭顱骨三維 數(shù)字模型。
2. 3鏡影分割構(gòu)建個(gè)性化的耳廓數(shù)字模型
應(yīng)用上海交通大學(xué)的醫(yī)學(xué)斷層處理軟件選取適當(dāng)?shù)闹行氖笭蠲?，通過鏡影 生成一個(gè)與病人頭顱數(shù)字模型以中心矢狀面完全對稱的數(shù)字模型，通過分割得 到個(gè)性化的耳廓數(shù)字模型。
2.4耳廓陰模的制作
應(yīng)用上海交通大學(xué)的醫(yī)學(xué)斷層處理軟件生成一個(gè)各個(gè)矢量都大于耳廓數(shù) 字模型的長方體數(shù)字模型，通過該長方體數(shù)字模型與構(gòu)建好的耳廓數(shù)字模型的 布爾減運(yùn)算獲得耳廓陰模的數(shù)字模型，延該數(shù)字模型的中心矢狀面切割形成陰 模的兩個(gè)部分。切割生成的數(shù)字模型分別導(dǎo)入快速成形機(jī)加工成型出個(gè)性化的 14:廓實(shí)體陰模的兩個(gè)部分，表面涂以薄層樹脂。
2.5 PGA耳廓支架的制作
棉絮狀非編制PGA預(yù)先均勻壓成片狀，疊加放入陰模，維持48小時(shí)后添 加1%PLA (聚乳酸)一二氯甲垸溶液進(jìn)行塑形，至最終PLA: PLGA質(zhì)量比約1: 5，并修剪周圍多余PGA。
結(jié)果
1. 全頭顱數(shù)字化三維模型重建
患者正、側(cè)位頭顱重建影像系由醫(yī)學(xué)斷層處理軟件生成，真實(shí)模擬了患者 現(xiàn)實(shí)頭顱外型結(jié)構(gòu)?；颊哂覀?cè)耳為健側(cè)耳，左側(cè)耳為先天性小耳畸形(見圖1)。
2. 鏡影分割構(gòu)建個(gè)性化耳廓數(shù)字模型
以中心矢狀面為軸，通過鏡影生成一個(gè)與病人右側(cè)顱面(左)完全對稱的 數(shù)字模型(右)(見圖2)。
3. 耳廓陰模的設(shè)計(jì)、制作及成型
通過分割得到個(gè)性化的耳廓數(shù)字模型，利用斷層處理軟件生成一個(gè)各個(gè)矢 量都人于耳廓數(shù)字模型的長方體數(shù)字模型，并將該數(shù)字模型的中心矢狀面切割 形成陰模的兩個(gè)部分導(dǎo)入快速成形機(jī)加工成型出個(gè)性化的耳廓實(shí)體陰模的兩 個(gè)部分，表面涂以薄層樹脂。(見圖3)
4. PGA耳廓支架制作
非編織片狀PGA纖維在兩個(gè)陰模內(nèi)可以壓成精確耳廓形態(tài)的支架材料，經(jīng) PLA包埋后具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，能維持良好的耳廓外形。(見圖4)
實(shí)施例2
個(gè)性化外鼻修復(fù)體的制作
材料和方法 l.材料
1. 1器材
購自通用公司的16排螺旋CT (GE LIGHT SPEED 16 SLICES);購自上海 交通大學(xué)的醫(yī)學(xué)斷層處理軟件；購自Z CORPORATION的快速成形機(jī)(Spectrum Z510)。
1.2臨床病歷資料
隨機(jī)選取上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院整復(fù)外科臨床病例3例。
2. 方法
2. 1 CT掃描
該病例全頭顱實(shí)行連續(xù)薄層CT容積掃描。掃描設(shè)備為美國通用公司16排 螺旋CT，每層O. 625mm,平均136層。旋轉(zhuǎn)角度216° ，曝光時(shí)間0. 1S。所有 圖象經(jīng)數(shù)字接口傳至GE公司圖形工作站，DICOM數(shù)據(jù)刻盤輸出。
2.2數(shù)字化全頭顱三維重建
采用上海交通大學(xué)的醫(yī)學(xué)斷層處理軟件讀取DICOM數(shù)據(jù)，調(diào)整圖像灰度， 選取全頭顱軟、硬組織的閾值范圍，經(jīng)自動(dòng)三維疊加運(yùn)算，形成全頭顱骨三維 數(shù)字模型。
2. 3鏡影分割構(gòu)建個(gè)性化的外鼻數(shù)字模型
應(yīng)用上海交通大學(xué)的醫(yī)學(xué)斷層處理軟件選取適當(dāng)橫截面，通過分割得到個(gè) 性化的外鼻數(shù)字模型。 2.4外鼻陰模的制作
應(yīng)用上海交通大學(xué)的醫(yī)學(xué)斷層處理軟件首先生成一個(gè)各個(gè)矢量都大于外 鼻數(shù)字模型的長方體數(shù)字模型。根據(jù)Boolean (布爾運(yùn)算)原理，即通過對兩 個(gè)以上的物體進(jìn)行并集、差集、交集的運(yùn)算，從而得到新的物體形態(tài)。本軟件 系統(tǒng)提供了 4種布爾運(yùn)算方式Union (并集)、Intersection (交集)和 Subtraction (差集，包括A-B和B-A兩種)。將各個(gè)矢量都大于外鼻數(shù)字模 型的長方體數(shù)字模型與構(gòu)建好的外鼻數(shù)字模型進(jìn)行差集運(yùn)算，從而獲得外鼻陰
模的數(shù)字模型。延該數(shù)字模型的中心矢狀面切割形成陰模的兩個(gè)部分。切割生 成的數(shù)字模型分別導(dǎo)入快速成形機(jī)加工成型出個(gè)性化的外鼻實(shí)體陰模的兩個(gè) 部分，表面涂以薄層樹脂。 2.5 PGA外鼻支架的制作
棉絮狀非編制PGA預(yù)先均勻壓成片狀，疊加放入陰模，維持48小時(shí)后添 加1%PLA (聚乳酸)一二氯甲烷溶液進(jìn)行塑形，至最終PLA: PLGA質(zhì)量比約1: 5，并修剪周圍多余PGA。
結(jié)果
1. 全頭顱數(shù)字化三維模型重建，分割構(gòu)建個(gè)性化外鼻數(shù)字模型
患者正、側(cè)位頭顱重建影像系由醫(yī)學(xué)斷層處理軟件生成，真實(shí)模擬了外鼻 形態(tài)良好的患者現(xiàn)實(shí)頭顱外型結(jié)構(gòu)。選取適當(dāng)橫截面，通過分割得到個(gè)性化的 外鼻數(shù)字模型。(見圖5)。
2. 外鼻陰模的設(shè)計(jì)、制作及成型
通過分割得到個(gè)性化的外鼻數(shù)字模型，利用斷層處理軟件生成一個(gè)各個(gè)矢 量都大于外鼻數(shù)字模型的長方體數(shù)字模型，并將該數(shù)字模型的中心矢狀面切割 形成陰模的兩個(gè)部分導(dǎo)入快速成形杉L加工成型出個(gè)性化的外鼻實(shí)體陰模的兩 個(gè)部分，表面涂以薄層樹脂。(見圖6)。整個(gè)快速成形過程大約3小時(shí)。
3. PGA外鼻支架制作
非編織片狀PGA纖維在兩個(gè)陰模內(nèi)可以壓成精確外鼻形態(tài)的支架材料，經(jīng) PLA包埋后具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，能維持良好的鼻外形。(見圖7)
實(shí)施例3
耳廓修復(fù)體軟骨的制作
對實(shí)施例1制作的耳廓修復(fù)體支架進(jìn)行電鏡掃描，確定最佳PLA: (PGA+PLA) 比例(圖8、 9)，結(jié)果以20%-30%為佳。并將豬軟骨細(xì)胞與上述耳廓修復(fù)體支架 進(jìn)行復(fù)合，其中豬軟骨細(xì)胞在復(fù)合物中的濃度為5Xl()7個(gè)細(xì)胞/cm3。并進(jìn)行體 外培養(yǎng)，分別于4周、8周和12周取材。對其進(jìn)行組織學(xué)評價(jià)(大體形態(tài)、HE 染色、Saffranin'0染色及II型膠原免疫組化染色)。見圖10。
結(jié)果表明，可獲得外形具有個(gè)性化的耳廓移植物。
討論
軟骨細(xì)胞是組織工程軟骨研究最早，也最常采用的種子細(xì)胞。但從機(jī)體自 身軟骨組織獲取細(xì)胞， 一方面會(huì)造成供區(qū)繼發(fā)軟骨缺損，另一方面從供體組織 獲取的軟骨細(xì)胞的增殖能力有限，容易在體外擴(kuò)增的過程出現(xiàn)去分化現(xiàn)象，所 以不能滿足大體積組織工程化軟骨形成的條件。目前認(rèn)為較有臨床應(yīng)用前景和 可行性的組織工程軟骨種子細(xì)胞是，這些MSCs取材創(chuàng)傷小，增殖力強(qiáng)，能被 定向誘導(dǎo)為軟骨表型細(xì)胞，有望解決軟骨組織工程種子細(xì)胞來源不足的難題。 由于這類細(xì)胞目前只能在體外三維立體的條件下被誘導(dǎo)形成軟骨，所以只有纖 維類及泡沫類支架適用。所以本發(fā)明的支架制備技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例正是采用了纖 維支架，為今后利用BMSC構(gòu)建耳廓、外鼻等修復(fù)體提供合適的支架及三維立 體的誘導(dǎo)環(huán)境。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用以限定本發(fā)明的實(shí)質(zhì)技術(shù) 內(nèi)容范圍，本發(fā)明的實(shí)質(zhì)技術(shù)內(nèi)容是廣義地定義于申請的權(quán)利要求范圍中，任 何他人完成的技術(shù)實(shí)體或方法，若是與申請的權(quán)利要求范圍所定義的完全相 同，也或是一種等效的變更，均將被視為涵蓋于該權(quán)利要求范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種組織工程支架的制備方法，所述的組織工程支架具有特定形狀，所述的特定形狀選自耳廓、外鼻、鼻假體、頦假體及其他人體組織或器官形態(tài)，其特征在于，所述方法包括步驟(1)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)構(gòu)建對應(yīng)于所述特定形狀的數(shù)字模型；(2)基于步驟(1)所獲得的數(shù)字模型，制作對應(yīng)于所述特定形狀組織或器官的實(shí)體陰模；(3)將醫(yī)學(xué)上可接受的生物可降解材料注入步驟(2)所獲得的實(shí)體陰模中，從而制得具有特定形狀的組織工程支架。
2. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(l)中包括用CT掃 描所述特定形狀的組織或器官，并將CT掃描獲得的圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字模型。
3. 如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，將圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字模型的 方法和過程包括以下多種不同的選擇(A) :l'i接轉(zhuǎn)換成與原圖像完全一致的數(shù)字模型；(B) 通過鏡影分割法將原圖像轉(zhuǎn)換成與原圖像完全鏡像對稱的數(shù)字模型；或(C) 在方法A或B的基礎(chǔ)上，新轉(zhuǎn)換的數(shù)字模型可以按某一特定比例進(jìn)行 放大或縮小，特定形狀保持不變。
4. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，在步驟(2)中將步驟(1)獲 得的數(shù)字模型制作出對應(yīng)于所述特定形狀組織或器官的實(shí)體陰模。
5. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中所述的醫(yī)學(xué)上'J接受的生物可降解材料包括以下(a) 用以填充實(shí)體陰模的生物可降解材料，選自聚羥基乙酸、聚羥基丁 酸、聚酸酐、聚偶磷氮、聚氨基酸、假聚氨基酸、聚原酸酯、聚酯尿垸、聚 碳酸酯、聚乙二醇、聚環(huán)氧乙烷、聚對二氧六環(huán)酮、膠原、明膠、糖氨聚糖、 殼聚糖、甲殼素、脫細(xì)胞基質(zhì)，或其混合物。(b) 用以塑型增加力學(xué)強(qiáng)度的生物可降解材料，選自聚乳酸。
6. 如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，用于填充陰模的生物可降 解材料和用以塑型的生物可降解材料的質(zhì)量比為2—10: 1。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，它還包括步驟 (4)將種子細(xì)胞接種在步驟(3)所得到的具有特定形狀的組織工程支架上， 形成具有特定形狀的組織工程移植物。
8. —種如權(quán)利要求1所述的制備方法得到的組織工程支架。
9. 一種如權(quán)利要求8所述的組織工程支架的用途，其特征在于，它可用于 制備組織工程移植物。
10. 如權(quán)利要求9所述的用途，其特征在于，所述的組織工程移植物用于 修復(fù)顱頜面先天性畸形及損傷，其中包括外耳、外鼻、下頦等組織或器官的局 部及完全缺損。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種體外構(gòu)建特定形狀組織工程支架的方法，它包括步驟(1)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)構(gòu)建特定形狀組織或器官的數(shù)字模型；(2)將步驟(1)獲得的數(shù)字模型導(dǎo)入快速成形機(jī)加工成型出特定形狀組織的實(shí)體陰模；(3)將醫(yī)學(xué)上可接受的生物可降解材料加入步驟(2)所獲得的實(shí)體陰模中得到具有特定形狀的組織工程支架；所述的特定形狀選自耳廓、外鼻、鼻假體、頦假體及其他人體組織或器官形態(tài)。本發(fā)明的特定形狀組織工程支架能有效的與軟骨細(xì)胞進(jìn)行復(fù)合并最終形成特定形狀的組織工程軟骨。本發(fā)明還提供了組織工程耳廓、外鼻支架的具體制備方法及其用途。
文檔編號(hào)A61L27/14GK101361682SQ20071004471
公開日2009年2月11日 申請日期2007年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月9日
發(fā)明者偉 劉, 周廣東, 磊 崔, 路 張, 曹誼林 申請人:上海國睿生命科技有限公司