供稿人：吕洋、高琳 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-07-23
心脏肌肉组织内的螺旋排列对于实现生理性泵送效率至关重要。然而，测试这种可能性是困难的，因为使用目前的技术再现心脏肌肉组织的精细空间特征和复杂结构是具有挑战性的。
哈佛大学的研究团队开发了一种聚焦旋转喷射纺丝的增材制造方法（FRJS），能够以长而细的纤维形式沉积聚合物材料，并在微米尺度上具有首选方向。该方法能够快速制造具有可编程排列的三维几何形状的微/纳米纤维支架。使用这种方法，能够制造出具有相似结构特性的正常心脏，也可以故意错位纤维取向以建立患病心脏的模型。在这些支架中加入心肌细胞，就能实现组织工程心室的生物制造，使复合形式具有天然心脏的一些活性特性。
图1 聚焦旋转喷射纺丝生产螺旋结构
旋转喷射纺丝通过离心力产生纤维，推动聚合物溶液通过喷丝头中的小孔。随后的射流伸长导致自由浮动的单微米纤维。这允许一个独立于纤维图案的形成期，产生围绕喷丝板的纤维云。接下来在一种称为夹带的现象中，纤维被拉入从喷丝头中心吹出的射流中。由于射流外的空气速度要慢几个数量级，因此这种夹带过程对纤维形成的干扰最小。然后射流允许纤维对齐并限制在一个小区域内，将它们聚焦以进行图案化。
图2 纤维对齐影响心室射血分数
与圆周排列相比，螺旋排列的模型显示出更均匀的变形、更大的心尖缩短和更高的射血分数。这项工作证明了螺旋结构如何有助于提高心脏性能。还可以显示特定纤维的取向错误如何影响功能。
总体而言，聚焦旋转喷射纺丝（FRJS） 能够控制纤维的三维排列，为制造组织和器官提供了一种简化的方法。除生物制造外，FRJS 还可在其他增材制造应用中发挥重要作用，因为它的生产率可与当前的工业工艺相媲美，同时实现了微/纳米级特征尺寸和受控的三维排列。