随着个性化医疗的迅猛发展，对于创新制造技术的需求日益增长。增材制造（AM）技术因其独特的制造优势而备受推崇，在组织工程领域尤显其重要价值。特别是熔融静电纺丝（MEW）技术，以其能够精确制造具有可控、仿生微纳米结构的3D微纤维支架而受到广泛关注。然而，在构建具备空心区域或悬空结构的支架时，如血管化应用所需，MEW技术面临不少技术挑战。为克服这些限制，本研究通过创新地结合熔融沉积成型（FDM）与MEW技术，开发了具有分枝状空心结构的微纤维支架，利用了两种技术的互补优势的同时，也显著扩展了其在组织工程中的潜在应用范围。
01｜材料与方法
a.材料选择
研究选用导电聚乳酸（cPLA）作为FDM打印的模具材料，其电阻率约为0.7Ω•m，接近海水的电阻率（0.223Ω•m），表现出良好的电导性，铜的电阻率仅为16.8 nΩ•m。选用聚己内酯（PCL）作为MEW的生物材料，因其不仅与MEW技术兼容，还因优异的生物相容性而获得美国食品及药物管理局（FDA）批准，用于第三类医疗设备（包括长期植入物）。
b.模具设计与制备
利用计算机辅助设计（CAD）软件SOLIDWORKS设计了具有动脉分支形态的模具半部，如图1所示，模具半径从底部的5mm逐渐缩减至最远端分支的2mm，底部增设2mm的填充层，以便于支架后续的熔合过程。
图1. 分支模具示意图（单位:mm）
c.熔融电写打印过程
将通过FDM技术预先打印的cPLA模具放置在Gesim BioScaffolder 3.1设备的高压平台上方的玻璃打印台面上。值得重点强调的是，Gesim BioScaffolder 3.1是一款先进的3D生物打印平台，其打印平台在Z轴方向配备有多个独立的打印喷头，支持多种材料在同一打印案例中的混合与组合打印，这一优势能够满足制造复杂仿生结构的要求。在打印过程中，喷嘴保持在模具表面上方几厘米的高度，确保与模具的精确对齐。在优化熔融电写打印参数后，使用PCL材料在cPLA模具上进行打印，此方法可以有效控制熔融丝材的流速，避免在支架边缘出现材料堆积。优化的MEW工艺参数如表1所示。
表1. 优化的MEW打印参数
d.支架的后处理与组装
熔融电写打印完成后，小心从cPLA模具上移除新制成的MEW支架。随后，将两个对应的MEW支架半部分置于设定温度为85°C的加热平台上，进行热熔合并，在室温下冷却，成功制备了空心分支支架结构如图2所示。
图2. 完整的三维空心分支支架结构。（A）箭头指示孔洞开口。（B）箭头指示热熔纵向接缝
通过上述步骤，结合FDM与MEW两种增材制造技术的优势，成功制备了具有复杂分支血管结构的空心微纤维支架。
a.模具制造结果
采用FDM技术，成功制造出添加石墨烯的导电聚乳酸（cPLA）模具，如图3所示。尽管cPLA表现出一定的脆性，但这并未对模具的整体质量产生负面影响。值得一提的是，cPLA模具与最终的熔融电写（MEW）支架之间展现出了良好的界面相容性，支架能够轻松从模具中取出，且未被损坏。
b.MEW打印质量分析
相较于玻璃模具，cPLA模具上制造的MEW支架具有更小的孔隙尺寸和更细的纤维直径，如图4所示。cPLA模具上的纤维直径约为30μm，而玻璃模具上的纤维直径为35μm。
图4.玻璃（A）和cPLA模具（B）上打印的单层MEW支架
c.孔隙特性表征
通过体视学方法估算孔隙率约63.29%，平均孔隙径约30μm（表2），与相对密度法测得的77.08%结果基本一致。
表2. 体视学估计的平均孔隙大小和体积
d.机械性能表征
动态力学分析（DMA）结果表明，所制备的MEW支架在37.5°C条件下显示出显著的各向异性机械性能，如图5所示。在垂直于支架层面的压缩应力下，支架的储存模量约为1MPa；而在水平于层面内的应力下，储存模量可以达到5MPa。这表明，支架对于层面内的应力具有较高的抗压性，这一特性与血管所承受的应力类型相符。
e.生物相容性评价
体外细胞培养结果显示，经过1个月的培养，正常人真皮成纤维细胞（NHDFs）能够在所制备的MEW支架上良好地生长和增殖，如图6的荧光显微镜照片所示。这证明使用FDM技术和 cPLA模具构建的MEW支架未引发任何细胞毒性，且具有良好的生物相容性。
03｜应用驱动变革：3D打印技术赋能医疗创新
研究成功地展示了通过创新性结合FDM与MEW两种增材制造技术，开发出具有分支血管仿生设计的空心微纤维支架。此策略有效地利用了两种技术的优势，展现了在组织工程微纳米加工领域的巨大潜力，同时为个性化医疗提供了新的解决方案。
综合测试结果显示，所制备的支架不仅具备良好的生物相容性，还表现出所需的各向异性机械强度，符合血管化应用的需求。这一创新方法不仅为制造复杂的仿生组织或器官结构提供了新思路，而且在未来的临床医学领域，尤其是在生物医用材料和再生医学的应用中，预示着广泛的应用前景。
锦廷科技与您一起共同期待，这种技术的进一步演进，推动相关科技和医疗领域的持续创新和发展。这也与即将举行的TCT2024亚洲展的核心理念“应用驱动变革”紧密相连，突显了实际应用在推动3D打印技术及医疗创新方面的作用。通过集中在技术实践，不仅可以展示如何通过应用驱动的方法促进医疗技术的持续进步和创新，也可以加深行业对这些变革性技术的理解和应用。
研究链接：Integrating Fused Deposition Modeling and Melt Electrowriting for Engineering Branched Vasculature.DOI:10.3390/biomedicines1112313
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