土耳其的組織工程：焦點轉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（Sabanci University）的研究人員正在進一步采用新技術制造支架推動組織工程學發(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”中概述了他們的工作。

靜電紡絲方法經常被（特別是研究人員）使用，提供了設計簡單、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3D結構的制造仍然是一個挑戰(zhàn)?！?br />
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備就可以創(chuàng)造適當的通風或最終去除。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率的聚合物熔體會在沉積過程中產生更穩(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，在調整打印的尺寸、形狀、孔隙率等方面的調整具有靈活性。當然，MEW還存在挑戰(zhàn)，具有復雜性，其中包括溫度和電導率問題，以及正確放置絕緣屏蔽層以防止電干擾的問題。其他需要克服的領域包括制造用于處理針尖到收集器距離增加的結構，以及處理與注射器和噴嘴有關的溫度和電荷問題，從而產生粘度水平和電力。

收集器速度（A）在恒定壓力下對最終結構的影響，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
• 內膜
• 神經
• 心臟組織
  

在ME的組織工程中已經使用了許多聚合物，包括：

• 聚己內酯（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”結合使用時也可以提供希望，這些技術可以超越當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構，以滿足細胞和機械需求并滿足組織工程構造的要求，而其他應用標準（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。”研究人員表示。

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。要制備水凝膠- MEW復合材料，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)建具有適當機械強度的心臟組織，以及工程神經、皮膚和骨骼組織，并有助于傷口愈合應用。

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，用于研究復合材料的增強機理。（B）在理想化復合結構的四分之一上的連續(xù)有限元模型（C）在不同變形水平下，用于實際復合結構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：“通過材料和結構的進一步發(fā)展，我們預見到在混合系統(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值建模研究，以更好地理解機械性能并優(yōu)化混合MEW結構的性能。盡管將雜化結構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，但應考慮這些部件的其他生物力學特征以及各部件之間的相互作用，以提高建模的準確性?！?br />
組織工程學已成為一門龐大的科學，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率，再到使用氧化石墨烯等進行實驗。