用于细胞迁移和生长的悬挂熔融近场直写纤维阵列

来源：EngineeringForLife  

悬挂纤维常会由于各种参数设置不当而随机出现于近场直写与传统静电纺丝的3D结构中，并常常被视为良好支架的缺陷。但悬挂纤维结构同时也是一种有趣的拓扑结构，若能被可控化制造，则有可能用于创伤后高度组织性、各向异性结构的重建。为此，University of Würzburg的Paul D. Dalton团队联合RWTH Aachen University Hospital的Gary A. Brook团队研究了悬挂纤维的制造机理与工艺，并利用制造的悬挂纤维阵列对早期出生后小鼠背根神经节(DRG)外植体的细胞迁移和神经突触生长的影响进行了初步研究。相关研究论文：Design of Suspended Melt Electrowritten Fiber Arrays for Schwann Cell Migration and Neurite Outgrowth发表于Macromolecular Bioscience杂志上。

研究人员设计了间距逐渐变化的楔形支撑结构来测试纤维的悬挂能力，图1。从初步的研究结果看，打印温度对纤维悬挂成功率的影响很大，低温可以改善纤维悬挂的成功率以及悬挂距离。

图1 熔融电直写悬挂纤维示意图与纤维悬挂状态

进一步研究其他打印参数的作用，如图2。打印速度对纤维的悬挂能力有重要影响，打印速度越快，纤维悬浮跨越更大跨度间隙的概率越大。如之前的报道，更快的打印速度导致更长的拖尾效应，同时纤维可以更快地冷却，从而产生更稳定的悬挂纤维。增加集电极间距由于减少了静电力以及延长了冷却距离，也可以改善悬挂状态。降低电压也可以达到类似的效果。环境温度也有较大影响，较低的温度可以改善悬挂，而小范围的湿度差异则没有显著影响。此外，由于悬挂纤维可能发生松弛，需要加上附加的纤维锚定壁，从而实现良好悬挂纤维阵列的制造。

图2 各种纤维在不同打印条件下产生悬挂的定量分析结果

根据先前测试获得对纤维悬挂状态的影响参数，可以进行更复杂的设计。为了得到一个真正的三维定向纤维结构，可以利用壁内纤维的数量来控制纤维悬挂的高度，如图3。悬挂纤维与附加层“嵌入”在纤维壁中，也可以构建一定角度的交叉结构。值得注意的是，在纤维沉积精度上，对纤维在X-Y平面位置的控制最为不准确，在悬挂的纤维/壁交点处有轻微偏移。此外，纤维交点也有轻微的X-Y平面偏移。这种差异可能是由静电相互作用或从打印方向拐点的非理想位置引起的误差。

图3 近场直写的各类具有悬挂纤维结构的支架

由于柔软的纤维壁结构在后续细胞实验中容易变形而导致纤维悬挂混乱（图3I），研究人员在整体结构外还增加了同样工艺打印的环来进行加固（图4A）。当DRG被种植于支架上后，立即显示出球形外观，并在21天后可以观察到雪旺细胞沿悬挂纤维与纤维壁迁移，且沿悬挂纤维显示出纺锤形态。

DRG来源的神经突也显示出类似雪旺细胞的迁移模式，与悬浮纤维紧密相连的神经突显示出简单的生长锥状尖端，神经突延伸的模式似乎很容易在相邻纤维之间架起桥梁，如图4。

图4 悬挂纤维阵列与其上的细胞形态

本研究探索了熔融近场直写工艺制造悬挂纤维阵列的打印工艺。纤维阵列支架能够承受反复的培养基和液体变化，以进行细胞培养，以及随后的过氧化物酶免疫-化学处理，并能观察到DRG接种于支架后的雪旺细胞迁移和神经突的生长，可用于创伤后高度组织性、各向异性结构的重建。

参考文献

Andrei Hrynevich, Pascal Achenbach, Tomasz Jungst, Gary A. Brook, Paul D. Dalton. Design of Suspended Melt Electrowritten Fiber Arrays for Schwann Cell Migration and Neurite Outgrowth. Macromolecular Bioscience.
https://doi.org/10.1002/mabi.202000439