一、研究背景

仿生结构制造在细胞生物学应用中发挥着举足轻重的作用。细胞直接与周围环境相互作用，并相应地调整自己的行为。这些动态解释主要发生在细胞外基质（ECM）中，这是一个由嵌入可压缩蛋白多糖网络中的纤维蛋白组成的复杂网络。细胞外基质通过细胞与基质的连接诱导或抑制特定过程，从而对细胞行为和形态产生重大影响。值得注意的是，由于细胞在平面基质和纤维基质上表现出截然不同的生长模式，因此在仿生表面上进行三维（3D）培养更接近于体内条件。

结缔组织的 ECM 主要由成束的胶原蛋白组成。I 型胶原蛋白通常与 III 型胶原蛋白一起存在，约占哺乳动物体内胶原蛋白的 90%。它呈纤维束状排列，直径为 10-300 纳米，长度可达几微米。另一方面，IV 型胶原蛋白构成了覆盖内皮和上皮组织层的更具弹性的基底膜的网状结构。许多组织（如动脉和声带）的弹性是由 ECM 蛋白质弹性蛋白与微纤维穿插组成的弹性纤维造成的。电纺丝能够产生纤维状界面，有利于内皮细胞和上皮细胞的培养。虽然这种技术能为细胞提供重要的地形引导，但通常只能形成二维（2D）结构或细长的网状结构。相比之下，三维打印技术能制造出具有毫米级属性的复杂支架。将这些技术相结合，就能制造出具有明确宏观和纳米级特征的结构。鉴于哺乳动物解剖结构的复杂性，我们探索了这种组合方法从设计阶段到实现阶段表现复杂几何结构的潜力。

三维打印和电纺丝已广泛应用于各种领域。一种突出的方法是在三维打印图案上电喷射基于聚合物的纤维薄膜，以产生独特的地形设计。这些三维打印结构不仅具有地形优势，还具有显著的机械强度。它们可作为精细电纺层的外层保护层，形成血管管状移植物，促使人类间充质干细胞向血管内皮分化。另外，三维打印图案还可作为外部电纺纤维网的坚固内部框架，应用于骨组织工程中增强增殖和调节成骨细胞反应。此外，生物打印作为三维打印的一个专门分支，可以模拟复杂的解剖结构，如分支管。这种结构有望应用于各种领域，例如为特定外科手术量身定制病人专用移植物，包括小儿先天性心脏修复，这些手术通常涉及与尺寸和几何形状有关的限制。

在微观层面操纵纤维制造为电纺丝提供了多种可能性。微调电纺丝的技术包括使用可移动针脚改变电场或修改集电体表面使其具有不同的导电性。例如，在设计空心三维电纺支架时，通常使用具有特定直径的可旋转心轴，这种心轴在纺丝后很容易移除。另一种技术是使用可溶解的芯来制造空隙，方法是去除盐晶体或插入三维打印结构。此外，在这种牺牲内核的方法中，还可以创建确定的表面微观形貌。电纺丝网的性质允许进行各种调整，例如使用规定直径的聚四氟乙烯棒将其转换成管状，或使用适合三维打印的墨水。通过这些调整，就能创造出量身定制的表面微形貌。尽管如此，迄今为止所有方法对三维特征的控制都很有限，仅限于三维支架的整体形状或简单的一个二维表面。这种限制无法复制复杂的自然三维微环境。

我们提出的方法旨在通过结合三维打印和电纺丝技术来解决这些缺陷，从而提供更广泛的支架几何形状，并促进细胞与支架之间更贴近生理的相互作用。在之前的研究中，我们使用藻酸盐珠设计了一个纳米纤维捏合球，在此基础上，我们对这一方法进行了扩展。我们探索了制作各种形状的可能性，从而提升了宏观生物仿生的水平。通过加入藻酸盐牺牲核心，我们成功制造出了中空电纺纳米纤维支架。这些三维微纤维（3DMF）支架结构将通过在三维打印模具中交联藻酸盐而获得的宏观属性与电纺固有的独特纳米级结构融为一体。

二、摘要

尽管再生医学需要先进的三维（3D）支架用于器官和组织应用，但要在从纳米到中层生物组织的各个尺度上创建复杂的结构仍然是一项挑战。纳米纤维的电纺丝技术不仅能加工单个纤维的尺寸和表面，还能加工各种材料的复杂属性，如各向异性和多孔性，因此前景广阔。在这项研究中，我们使用 3D 打印机设计了一个聚乳酸模具，用于凝胶建模。这种凝胶模板安装在金属丝上，有助于微纤维电纺丝。纺丝后，用乙二胺四乙酸（EDTA）处理这些结构以去除模板，然后进行清洗和干燥，最后得到三维微纤维（3DMF）结构，其内外表面的平均纤维直径约为 1 µm。值得注意的是，这些结构与预期的设计尺寸相匹配，没有变形或收缩，表明这种方法适用于各种尺寸的模板。圆柱形结构具有高弹性和可拉伸性，弹性模量为 6.23 兆帕。此外，我们的方法还成功模拟了复杂的生物组织结构，如音箱的内部结构和心脏三尖瓣的中空分区结构。实现特定的复杂形状需要多次纺丝和后续组装。从本质上讲，我们的方法具有制作人造器官和形成细胞培养支架基础材料的潜力，解决了制作复杂的多尺度结构的难题。

三、结论

在生物材料领域，电纺丝因其通过对聚合物溶液施加高电压，然后将其沉积到收集器上以制造纳米纤维的能力而备受瞩目。这种方法能产生各向异性的纳米纤维组合，与 ECM 的结构相似，因此成为一种很有前景的细胞培养支架。所选聚合物的多功能性进一步拓宽了其在各种应用中的适用性。尽管电纺纳米纤维具有这些优点，但其固有的二维片状形态在机械坚固性方面却带来了难题。这些薄片在形成复杂的三维结构时容易断裂或接缝。

为了规避这一限制，本研究将三维打印技术与传统的电纺丝技术相结合，在这一过程中加入了藻酸盐凝胶。这种增强型方法在复制复杂的三维形态（如人体内部结构和心脏三尖瓣）方面表现出了与生物实体类似的能力。我们探索了基于三维打印模具制作的牺牲模板的新型制造方法，以制造各种中空结构，保持对宏观几何形状的控制，同时不牺牲电纺丝膜的微观结构特征。由于电纺丝和三维打印这两种方法的优势在最终的支架中都很明显，而这两种方法单独使用都是不可能实现的，因此可以进一步研究这种新的制造方式，并将其用于需要特定形状和尺寸限制的组织工程应用中的新型材料。

图1.电纺 3DMF 支架的制作示意图（从上到下），右侧为锥形 3DMF 支架的示例。将藻酸盐交联到由聚乳酸制成的 3D 打印反向模具中，形成模板。然后将模板用作电纺丝的旋转收集器。随后，将其溶解在 EDTA 溶液中，得到中空的 3DMF 聚氨酯支架。

 

图2.各种尺寸的锥形 3DMF 支架，显示了该方法对各种尺寸的适应性。从上到下显示了制造的中间步骤。比例尺 = 1 厘米。

 

图3.制造具有以下特征的空心 3DNF：(a) 凹凸不平的表面，以测试该方法在不平整表面上的适用性；(b) 交叉的宏观特征；(c) 分支结构，以测试在主旋转轴以外的轴上制造具有实质性特征的结构的能力。

 

 

图4.基于解剖结构的 3DMF 支架图解。(a) 音箱；(b) 心脏三尖瓣。最终的结构表明，它适用于与解剖结构类似的更复杂的设计。