研究人員突破管狀支架替代品制備新工藝，基于可控四軸擠出式熔紡增材制造系統(tǒng)

導(dǎo)讀：在人體器官中，許多管狀組織（如血管和氣管）可能會(huì)因創(chuàng)傷和疾病而遭受長(zhǎng)節(jié)段性缺陷。由于目前自體移植物的使用受到限制，對(duì)合成替代品作為可能的替代方案的需求一直受到關(guān)注。這些管狀器官的制造通常通過(guò)靜電紡絲和使用旋轉(zhuǎn)收集器的熔體電潤(rùn)濕等技術(shù)來(lái)完成。

2023年8月14日，南極熊獲悉，來(lái)自馬斯特里赫特大學(xué) MERLN 技術(shù)啟發(fā)再生醫(yī)學(xué)研究所的研究人員開(kāi)發(fā)了一種名為“熔體紡絲（Melt-spinning）“的新方法，它是基于旋轉(zhuǎn) 4 軸擠出式的增材制造系統(tǒng)，可能會(huì)更加高效。

目前的增材制造（AM）系統(tǒng)通常不使用旋轉(zhuǎn)軸，這限制了它們?cè)诠軤钪Ъ苤圃熘械膽?yīng)用。在馬斯特里赫特大學(xué)復(fù)雜組織再生學(xué)院和布加勒斯特理工大學(xué)先進(jìn)高分子材料小組的一項(xiàng)新研究中，研究人員開(kāi)發(fā)了這種基于四軸擠出的增材制造系統(tǒng)，類似于融合技術(shù)沉積建模（FDM）已被開(kāi)發(fā)用于創(chuàng)建管狀空心支架，他們把新的增材制造工藝稱為“熔紡”。這項(xiàng)研究以題為“基于可控四軸擠壓的增材制造系統(tǒng)，用于制造具有可定制機(jī)械性能的管狀支架/Controllable four axis extrusion-based additive manufacturingsystem for the fabrication of tubular scaffolds with tailorable mechanicalproperties”的論文被發(fā)表在《Materials Science and Engineering: C》期刊上，由Kenny A. van Kampen a, Elena Olaret等人聯(lián)合撰寫。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0928493120333907

項(xiàng)目進(jìn)一步研究了矩形和金剛石孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的機(jī)械特性，分別作為標(biāo)準(zhǔn)和仿生孔幾何形狀。三點(diǎn)彎曲分析表明，與矩形設(shè)計(jì)相比，金剛石孔設(shè)計(jì)更能抵抗管腔塌陷。該數(shù)據(jù)表明，通過(guò)改變支架孔隙設(shè)計(jì)，可以獲得廣泛的機(jī)械性能。此外，通過(guò)開(kāi)發(fā)的 4 軸擠壓系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)支架設(shè)計(jì)和幾何形狀的完全控制，這在其他技術(shù)中尚未有報(bào)道。這種靈活性允許通過(guò)設(shè)計(jì)合適的沉積模式來(lái)匹配其機(jī)械先決條件，從而制造用于各種管狀組織再生應(yīng)用的支架。

增材制造技術(shù)，例如熔融沉積建模 (FDM)、生物繪圖和其他基于擠出的技術(shù)，適合通過(guò)制造數(shù)百微米的纖維來(lái)提高支架的機(jī)械完整性。使用當(dāng)前基于擠壓的設(shè)置創(chuàng)建管狀結(jié)構(gòu)的主要限制是可以制造的設(shè)計(jì)和幾何形狀，因?yàn)閷?duì)于這些懸垂和空心結(jié)構(gòu)需要支撐材料。這種限制主要是由于大多數(shù)系統(tǒng)使用逐層制造方法，通過(guò)隨后沉積纖維來(lái)形成對(duì)象輪廓內(nèi)每層的填充，并且重復(fù)此過(guò)程直到獲得完整的 3D 對(duì)象。這種沉積通常發(fā)生在相對(duì)于打印頭沿 XY 平面和 Z 方向移動(dòng)的平坦基材上。

熔體紡絲中第四軸的實(shí)施允許創(chuàng)建更復(fù)雜的管狀支架設(shè)計(jì)，正如假體植入物領(lǐng)域中所描述的那樣。其他團(tuán)隊(duì)已在其用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的 FDM 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了第四軸，但往往缺乏旋轉(zhuǎn)軸和主系統(tǒng)之間的通信，導(dǎo)致僅創(chuàng)建螺旋設(shè)計(jì)。除此之外，管狀支架通常不能完全表征其機(jī)械性能和軸向、徑向和彎曲變形的行為。

MERLN 這項(xiàng)研究的目的是展示一種類似于 FDM 的基于擠出的增材制造技術(shù)，具有同步的第四旋轉(zhuǎn)軸，可以制造復(fù)雜的管狀幾何形狀。此外，他們還進(jìn)一步研究了幾何形狀在支架設(shè)計(jì)中的作用及其對(duì)徑向壓縮、拉伸強(qiáng)度和三點(diǎn)彎曲等力學(xué)性能的影響。

彎曲旋轉(zhuǎn)制作肌細(xì)胞

在后續(xù)研究中，MERLN 研究人員使用相同的熔紡技術(shù)來(lái)制造具有可定制纖維參數(shù)的模擬血管移植物。熔融紡絲可以通過(guò)熔化聚合物并將其直接沉積在紡絲芯軸上，在芯軸周圍產(chǎn)生細(xì)纖維，而無(wú)需電場(chǎng)。所得纖維高度排列且可重復(fù)，纖維尺寸變化很小。該技術(shù)的最新進(jìn)展導(dǎo)致制造出具有增強(qiáng)機(jī)械性能的核殼纖維。

無(wú)需電場(chǎng)，制造過(guò)程的可控和不可控參數(shù)不再是限制。因此，可以將其總結(jié)為簡(jiǎn)化的方程，以根據(jù)纖維尺寸、纖維角度和所得間距來(lái)預(yù)測(cè)纖維參數(shù)。這可能會(huì)產(chǎn)生更具可重復(fù)性的阻擋層。與 SES 非常相似，這些微纖維需要機(jī)械支撐�；�于四軸熔體擠出的系統(tǒng)可以通過(guò)在較小的微纖維周圍形成較大的粗纖維來(lái)提供這種支撐。

第二項(xiàng) MERLN 研究的目的是進(jìn)一步開(kāi)發(fā)旋轉(zhuǎn)技術(shù)，該技術(shù)能夠在小直徑血管移植物中排列平滑肌細(xì)胞。此外，根據(jù)獲得的結(jié)果制定了簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)方程來(lái)預(yù)測(cè)纖維直徑、纖維之間的距離和沉積角度。在支架上培養(yǎng)原代平滑肌細(xì)胞，以評(píng)估細(xì)胞是否在形態(tài)上模仿動(dòng)脈中膜。最后，與內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行共培養(yǎng)，以評(píng)估排列的原代平滑肌細(xì)胞是否影響內(nèi)皮細(xì)胞的形態(tài)。

平滑肌細(xì)胞在維持血壓和細(xì)胞外基質(zhì)重塑方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些細(xì)胞具有特征性的紡錘形狀，并沿徑向排列，以幫助收縮任何動(dòng)脈。組織工程移植物有可能重建這種排列，并為不可吸收或自體移植物提供可行的替代方案。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)熔紡可以制造出可以在支架上沿圓周排列的小直徑纖維。在本研究中，制定了一組簡(jiǎn)化方程來(lái)預(yù)測(cè)最終的纖維參數(shù)。

在制造的支架上監(jiān)測(cè)平滑肌細(xì)胞的排列狀態(tài)。最后，對(duì)平滑肌細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞直接接觸進(jìn)行共培養(yǎng)，以評(píng)估平滑肌細(xì)胞排列對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞形態(tài)的影響。結(jié)果表明，該方程能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)纖維直徑、距離和角度。原代血管平滑肌細(xì)胞根據(jù)模擬天然方向的纖維方向排列。與內(nèi)皮細(xì)胞的共培養(yǎng)表明，排列的平滑肌細(xì)胞對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞的形態(tài)沒(méi)有影響�？傊�，我們制定了一系列方程，可以預(yù)測(cè)熔融紡絲過(guò)程中的纖維參數(shù)。此外，這里描述的方法可以創(chuàng)建一個(gè)具有環(huán)周排列的平滑肌細(xì)胞的血管移植物，其形態(tài)與天然血管取向相似。

熔體紡絲的機(jī)械強(qiáng)度

在另一項(xiàng)發(fā)表在《ACS Biomater. Sci. Eng.》期刊上、論文題為“Flexible, Suturable, and Leak-free Scaffolds for Vascular TissueEngineering Using Melt Spinning “的研究中， MERLN 研究人員通過(guò)描述具有不同纖維排列的管狀支架的制造來(lái)展示血管移植物的進(jìn)一步優(yōu)化，這些支架具有強(qiáng)大的機(jī)械性能、無(wú)泄漏且可縫合。

相關(guān)論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsbiomaterials.3c00535

科學(xué)家們還研究了這些特性對(duì) hMSC 分化為 SMC 樣細(xì)胞的細(xì)胞行為的影響。還接種內(nèi)皮細(xì)胞以獲得包含動(dòng)脈內(nèi)膜和中層的構(gòu)建體。

△打印頭速度對(duì)支架纖維結(jié)構(gòu)的影響。(A) 示意圖顯示了用于量化纖維之間角度的程序。(B) 所生產(chǎn)的支架的掃描電子顯微鏡圖像。(C) SEM 圖像中纖維之間角度的量化（n = 15–25，**** p ≤ 0.0001）。

MERLN 的熔紡制造方法可以對(duì)圓周方向的纖維取向進(jìn)行精細(xì)控制（如上圖所示）。纖維之間的角度通過(guò) SEM 獲得的圖像進(jìn)行量化。當(dāng)打印頭以 1 mm/s 的速度移動(dòng)時(shí)，纖維彼此平行沉積（0 角）。速度為10mm/s時(shí)，兩根纖維之間的夾角為10.4±1.0°；速度20mm/s時(shí)，纖維角度為19.3±2.5°；速度為30mm/s時(shí)，纖維角度為33.6±5.8°。纖維直徑為31.6±3.9μm，不受打印頭速度的影響。纖維直徑也可以通過(guò)改變收集器的轉(zhuǎn)速來(lái)改變。在最終的 MERLN 研究中，該參數(shù)保持恒定在 1060 rpm。為了進(jìn)一步測(cè)試，選擇了三種纖維取向（0、19和33°），為了更容易地標(biāo)記，稱之為1、20和30°。

△三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。(A) 開(kāi)始時(shí)、20% 應(yīng)變、160% 應(yīng)變和測(cè)試后的宏觀成像。(B) 力-位移測(cè)量的斜率值。(C) 力-位移測(cè)量的最大力值。兩種灰色陰影表示兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，最小 n = 4（總計(jì) n = 10）（** p ≤ 0.01，*** p ≤ 0.001，nd = 未確定）。

進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)試以評(píng)估所生產(chǎn)的支架的機(jī)械性能（參見(jiàn)上圖）。1° 支架表現(xiàn)出脆性行為，因?yàn)樗鼈冊(cè)?10% 應(yīng)變下已經(jīng)斷裂。20° 支架更加堅(jiān)固，在高達(dá) 60% 應(yīng)變的情況下沒(méi)有顯示出可見(jiàn)缺陷，但此后開(kāi)始出現(xiàn)清晰的纖維開(kāi)口。30° 支架在最高測(cè)試應(yīng)變 160% 下沒(méi)有可見(jiàn)缺陷。20° 和30° 支架可彎曲高達(dá) 160% 應(yīng)變（最大測(cè)試值），而不會(huì)扭結(jié)或支架斷裂。

為了測(cè)試支架容納液體的能力，在支架的每一端引入魯爾鎖倒刺塞，并將其連接到安裝在注射泵上的注射器（如下圖所示）。含有藍(lán)色食用色素的水或含有紅色色素的 5% BSA PBS 溶液流過(guò)支架。含有 BSA 的溶液被用作血液的“替代品”。在任何測(cè)試流速（1.2、10.2 和 25 mL/min）下均未觀察到泄漏。盡管支架能夠容納液體，但它們呈現(xiàn)出高孔隙率（補(bǔ)充圖3）。值得注意的是，泄漏實(shí)驗(yàn)中測(cè)試的支架之前曾用于三點(diǎn)彎曲測(cè)試，表明施加的高應(yīng)變并未對(duì)支架產(chǎn)生負(fù)面影響。

△(A) 以 25 mL/min 運(yùn)行的泄漏測(cè)試的特寫。(B) 使用連續(xù)縫合線 (6-0 Prolene) 將支架縫合到豬頸動(dòng)脈上。