供稿人：呂洋、高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-07-23
心臟肌肉組織內(nèi)的螺旋排列對(duì)于實(shí)現(xiàn)生理性泵送效率至關(guān)重要。然而，測(cè)試這種可能性是困難的，因?yàn)槭褂媚壳暗募夹g(shù)再現(xiàn)心臟肌肉組織的精細(xì)空間特征和復(fù)雜結(jié)構(gòu)是具有挑戰(zhàn)性的。
哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種聚焦旋轉(zhuǎn)噴射紡絲的增材制造方法（FRJS），能夠以長(zhǎng)而細(xì)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(jié)構(gòu)特性的正常心臟，也可以故意錯(cuò)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(xì)胞，就能實(shí)現(xiàn)組織工程心室的生物制造，使復(fù)合形式具有天然心臟的一些活性特性。
圖1 聚焦旋轉(zhuǎn)噴射紡絲生產(chǎn)螺旋結(jié)構(gòu)
旋轉(zhuǎn)噴射紡絲通過離心力產(chǎn)生纖維，推動(dòng)聚合物溶液通過噴絲頭中的小孔。隨后的射流伸長(zhǎng)導(dǎo)致自由浮動(dòng)的單微米纖維。這允許一個(gè)獨(dú)立于纖維圖案的形成期，產(chǎn)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(gè)數(shù)量級(jí)，因此這種夾帶過程對(duì)纖維形成的干擾最小。然后射流允許纖維對(duì)齊并限制在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)，將它們聚焦以進(jìn)行圖案化。
圖2 纖維對(duì)齊影響心室射血分?jǐn)?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?jǐn)?shù)。這項(xiàng)工作證明了螺旋結(jié)構(gòu)如何有助于提高心臟性能。還可以顯示特定纖維的取向錯(cuò)誤如何影響功能。
總體而言，聚焦旋轉(zhuǎn)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(jiǎn)化的方法。除生物制造外，F(xiàn)RJS 還可在其他增材制造應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，因?yàn)樗纳a(chǎn)率可與當(dāng)前的工業(yè)工藝相媲美，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了微/納米級(jí)特征尺寸和受控的三維排列。