土耳其的組織工程：焦點轉(zhuǎn)向熔體靜電紡絲和混合制造

來源： 增材之光

土耳其薩班其大學(xué)（Sabanci University）的研究人員正在進一步采用新技術(shù)制造支架推動組織工程學(xué)發(fā)展，并在最近發(fā)表的“生物制造中的仿生：面向混合生物制造的熔體靜電紡絲書寫技術(shù)”中概述了他們的工作。

靜電紡絲方法經(jīng)常被（特別是研究人員）使用，提供了設(shè)計簡單、價格適中以及靈活組合聚合物和改善機械性能等優(yōu)點。熔體電紡絲（SE）是一種流行方法，采用了注射器和噴嘴、注射器泵、高壓電源和集電器。然而，從歷史上看，SE面臨挑戰(zhàn)，研究人員不得不克服溶劑毒性等問題以及蒸發(fā)速率方面的問題。其他障礙包括溶解性、流動不穩(wěn)定性等問題。

研究人員表示：“此外，由于沉積的長絲中殘留電荷的積累，大尺寸對準(zhǔn)3D結(jié)構(gòu)的制造仍然是一個挑戰(zhàn)�！�

熔體靜電紡絲（ME）環(huán)保且不需要溶劑，這意味著不需付出任何努力或準(zhǔn)備就可以創(chuàng)造適當(dāng)?shù)耐�風(fēng)或最終去除。這樣可以節(jié)省時間、金錢并消除以毒性為中心的安全隱患。

此外，一些不能溶解在任何溶劑中的聚合物可以通過ME進行加工。研究人員表示：“這也提供了一次使用多種材料的機會，這可能無法找到一種常見的溶劑，否則將給靜電紡絲帶來困難。與SE相似，聚合物射流在噴絲頭尖端受到拉力（靜電庫倫和重力）和阻力（表面張力和粘彈性）。但是，具有更高粘度和更低電導(dǎo)率的聚合物熔體會在沉積過程中產(chǎn)生更穩(wěn)定的噴射，這將更容易獲得形狀受控的長絲�！�

溶體靜電紡絲（左）和熔體靜電紡絲書寫（右）的示意圖

熔體靜電紡絲書寫（MEW）為建筑支架提供了希望，在調(diào)整打印的尺寸、形狀、孔隙率等方面的調(diào)整具有靈活性。當(dāng)然，MEW還存在挑戰(zhàn)，具有復(fù)雜性，其中包括溫度和電導(dǎo)率問題，以及正確放置絕緣屏蔽層以防止電干擾的問題。其他需要克服的領(lǐng)域包括制造用于處理針尖到收集器距離增加的結(jié)構(gòu)，以及處理與注射器和噴嘴有關(guān)的溫度和電荷問題，從而產(chǎn)生粘度水平和電力。

收集器速度（A）在恒定壓力下對最終結(jié)構(gòu)的影響，和（B）在不同氣壓下對纖維直徑的影響。

可以選擇使用各種生物相容性和可生物降解的材料，可以為工程創(chuàng)建支架：

• 皮膚
• 內(nèi)膜
• 神經(jīng)
• 心臟組織
  

在ME的組織工程中已經(jīng)使用了許多聚合物，包括：

• 聚己內(nèi)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面臨的挑戰(zhàn)繼續(xù)圍繞平衡處理問題，創(chuàng)建具有合適機械性能的材料以及確保生物相容性來著重解決。研究人員指出，MEW在與“其他既有的制造技術(shù)”結(jié)合使用時也可以提供希望，這些技術(shù)可以超越當(dāng)前的限制并擴大其用途。

“借助混合方法，人們可以制造出層次結(jié)構(gòu)，以滿足細胞和機械需求并滿足組織工程構(gòu)造的要求，而其他應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)（例如機械耐久性和/或特定材料的加工挑戰(zhàn)）可以得到解決�！毖芯咳藛T表示。

水凝膠也很有前途，因為它們可以模仿人體組織中的細胞外基質(zhì)。要制備水凝膠- MEW復(fù)合材料，纖維必須通過水凝膠滲透的方法來制備。

采用熔體靜電紡絲書寫（MEW）的不同混合制造方法。

研究團隊還嘗試使用PCL纖維和羥基磷灰石納米粒子（nHA）創(chuàng)建“模擬鈣化區(qū)”。MEW還有望用于創(chuàng)建具有適當(dāng)機械強度的心臟組織，以及工程神經(jīng)、皮膚和骨骼組織，并有助于傷口愈合應(yīng)用。

連續(xù)模型和微型有限元（FE）模型的一般建模概述。（A）單軸壓縮試驗，用于研究復(fù)合材料的增強機理。（B）在理想化復(fù)合結(jié)構(gòu)的四分之一上的連續(xù)有限元模型（C）在不同變形水平下，用于實際復(fù)合結(jié)構(gòu)的微型有限元模型的μ-CT示意圖。

（A）膠原水凝膠在方形和矩形裸PCL和混合PCL支架中滲透的心臟前體細胞（CPC）的存活率和（B）形態(tài)。

研究人員表示：“通過材料和結(jié)構(gòu)的進一步發(fā)展，我們預(yù)見到在混合系統(tǒng)中利用多種聚合物和水凝膠以及多種生物分子、細胞和納米粒子的廣泛進展�！�
“需要進行更全面的實驗和數(shù)值建模研究，以更好地理解機械性能并優(yōu)化混合MEW結(jié)構(gòu)的性能。盡管將雜化結(jié)構(gòu)的各個部件的彈性模量和泊松比視為建模研究的主要參數(shù)，但應(yīng)考慮這些部件的其他生物力學(xué)特征以及各部件之間的相互作用，以提高建模的準(zhǔn)確性。”

組織工程學(xué)已成為一門龐大的科學(xué)，水凝膠的用途也不斷擴大。從使用殼聚糖-明膠水凝膠進行生物打印到測試粒狀水凝膠的電導(dǎo)率，再到使用氧化石墨烯等進行實驗。