供稿人：呂洋、高琳 供稿單位：西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-07-23
心臟肌肉組織內的螺旋排列對于實現(xiàn)生理性泵送效率至關重要。然而，測試這種可能性是困難的，因為使用目前的技術再現(xiàn)心臟肌肉組織的精細空間特征和復雜結構是具有挑戰(zhàn)性的。
哈佛大學的研究團隊開發(fā)了一種聚焦旋轉噴射紡絲的增材制造方法（FRJS），能夠以長而細的纖維形式沉積聚合物材料，并在微米尺度上具有首選方向。該方法能夠快速制造具有可編程排列的三維幾何形狀的微/納米纖維支架。使用這種方法，能夠制造出具有相似結構特性的正常心臟，也可以故意錯位纖維取向以建立患病心臟的模型。在這些支架中加入心肌細胞，就能實現(xiàn)組織工程心室的生物制造，使復合形式具有天然心臟的一些活性特性。
圖1 聚焦旋轉噴射紡絲生產螺旋結構
旋轉噴射紡絲通過離心力產生纖維，推動聚合物溶液通過噴絲頭中的小孔。隨后的射流伸長導致自由浮動的單微米纖維。這允許一個獨立于纖維圖案的形成期，產生圍繞噴絲板的纖維云。接下來在一種稱為夾帶的現(xiàn)象中，纖維被拉入從噴絲頭中心吹出的射流中。由于射流外的空氣速度要慢幾個數(shù)量級，因此這種夾帶過程對纖維形成的干擾最小。然后射流允許纖維對齊并限制在一個小區(qū)域內，將它們聚焦以進行圖案化。
圖2 纖維對齊影響心室射血分數(shù)
與圓周排列相比，螺旋排列的模型顯示出更均勻的變形、更大的心尖縮短和更高的射血分數(shù)。這項工作證明了螺旋結構如何有助于提高心臟性能。還可以顯示特定纖維的取向錯誤如何影響功能。
總體而言，聚焦旋轉噴射紡絲（FRJS） 能夠控制纖維的三維排列，為制造組織和器官提供了一種簡化的方法。除生物制造外，F(xiàn)RJS 還可在其他增材制造應用中發(fā)揮重要作用，因為它的生產率可與當前的工業(yè)工藝相媲美，同時實現(xiàn)了微/納米級特征尺寸和受控的三維排列。