土耳其的组织工程：焦点转向熔体静电纺丝和混合制造

来源： 增材之光

土耳其萨班其大学（Sabanci University）的研究人员正在进一步采用新技术制造支架推动组织工程学发展，并在最近发表的“生物制造中的仿生：面向混合生物制造的熔体静电纺丝书写技术”中概述了他们的工作。

静电纺丝方法经常被（特别是研究人员）使用，提供了设计简单、价格适中以及灵活组合聚合物和改善机械性能等优点。熔体电纺丝（SE）是一种流行方法，采用了注射器和喷嘴、注射器泵、高压电源和集电器。然而，从历史上看，SE面临挑战，研究人员不得不克服溶剂毒性等问题以及蒸发速率方面的问题。其他障碍包括溶解性、流动不稳定性等问题。

研究人员表示：“此外，由于沉积的长丝中残留电荷的积累，大尺寸对准3D结构的制造仍然是一个挑战。”

熔体静电纺丝（ME）环保且不需要溶剂，这意味着不需付出任何努力或准备就可以创造适当的通风或最终去除。这样可以节省时间、金钱并消除以毒性为中心的安全隐患。

此外，一些不能溶解在任何溶剂中的聚合物可以通过ME进行加工。研究人员表示：“这也提供了一次使用多种材料的机会，这可能无法找到一种常见的溶剂，否则将给静电纺丝带来困难。与SE相似，聚合物射流在喷丝头尖端受到拉力（静电库伦和重力）和阻力（表面张力和粘弹性）。但是，具有更高粘度和更低电导率的聚合物熔体会在沉积过程中产生更稳定的喷射，这将更容易获得形状受控的长丝。”

溶体静电纺丝（左）和熔体静电纺丝书写（右）的示意图

熔体静电纺丝书写（MEW）为建筑支架提供了希望，在调整打印的尺寸、形状、孔隙率等方面的调整具有灵活性。当然，MEW还存在挑战，具有复杂性，其中包括温度和电导率问题，以及正确放置绝缘屏蔽层以防止电干扰的问题。其他需要克服的领域包括制造用于处理针尖到收集器距离增加的结构，以及处理与注射器和喷嘴有关的温度和电荷问题，从而产生粘度水平和电力。

收集器速度（A）在恒定压力下对最终结构的影响，和（B）在不同气压下对纤维直径的影响。

可以选择使用各种生物相容性和可生物降解的材料，可以为工程创建支架：

• 皮肤
• 内膜
• 神经
• 心脏组织
  

在ME的组织工程中已经使用了许多聚合物，包括：

• 聚己内酯（PCL）
• 聚乳酸（PLA）
• 聚-L-乳酸（PLLA）
• 聚乙二醇（PEG）
• 聚氨酯（PU）
• 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）
• 聚丙烯（PP）
  

MEW面临的挑战继续围绕平衡处理问题，创建具有合适机械性能的材料以及确保生物相容性来着重解决。研究人员指出，MEW在与“其他既有的制造技术”结合使用时也可以提供希望，这些技术可以超越当前的限制并扩大其用途。

“借助混合方法，人们可以制造出层次结构，以满足细胞和机械需求并满足组织工程构造的要求，而其他应用标准（例如机械耐久性和/或特定材料的加工挑战）可以得到解决。”研究人员表示。

水凝胶也很有前途，因为它们可以模仿人体组织中的细胞外基质。要制备水凝胶- MEW复合材料，纤维必须通过水凝胶渗透的方法来制备。

采用熔体静电纺丝书写（MEW）的不同混合制造方法。

研究团队还尝试使用PCL纤维和羟基磷灰石纳米粒子（nHA）创建“模拟钙化区”。MEW还有望用于创建具有适当机械强度的心脏组织，以及工程神经、皮肤和骨骼组织，并有助于伤口愈合应用。

连续模型和微型有限元（FE）模型的一般建模概述。（A）单轴压缩试验，用于研究复合材料的增强机理。（B）在理想化复合结构的四分之一上的连续有限元模型（C）在不同变形水平下，用于实际复合结构的微型有限元模型的μ-CT示意图。

（A）胶原水凝胶在方形和矩形裸PCL和混合PCL支架中渗透的心脏前体细胞（CPC）的存活率和（B）形态。

研究人员表示：“通过材料和结构的进一步发展，我们预见到在混合系统中利用多种聚合物和水凝胶以及多种生物分子、细胞和纳米粒子的广泛进展。”
“需要进行更全面的实验和数值建模研究，以更好地理解机械性能并优化混合MEW结构的性能。尽管将杂化结构的各个部件的弹性模量和泊松比视为建模研究的主要参数，但应考虑这些部件的其他生物力学特征以及各部件之间的相互作用，以提高建模的准确性。”

组织工程学已成为一门庞大的科学，水凝胶的用途也不断扩大。从使用壳聚糖-明胶水凝胶进行生物打印到测试粒状水凝胶的电导率，再到使用氧化石墨烯等进行实验。