创新方法：通过旋转熔融电纺技术一步法制备定向仿生纤维支架

《Advanced Healthcare Materials》：Giving It a Twist: One-Step Fabrication of Aligned Biomimetic Yarn Scaffolds via Rotational Melt Electrofibrillation

ABSTRACT: 开发熔融电纺技术（MEF）制造具有天然胶原蛋白超结构的twisted fibril bundles，实现纤丝形成、扭转和 scaffold 的直接打印。实验表明， twisted 结构能显著增强机械性能，引导细胞对齐和分化，在肌肉细胞、骨髓间充质干细胞和牙周膜细胞中均验证了其对细胞行为的影响。该技术为生物仿生 scaffold 的精准构建提供了新方法。

　　
近年来，生物制造技术旨在通过增材制造方法构建体外组织模型，这些模型需在结构和功能上与天然组织高度相似。其中，胶原蛋白作为人体最丰富的蛋白质之一，其纤维束的层级结构和力学性能在维持组织强度、细胞黏附及迁移中起关键作用。然而，传统制备方法（如静电纺丝或编织）通常需要多步处理，难以在单一步骤中实现纤维的螺旋排列、三维结构成型与细胞定向调控的协同。这一技术瓶颈推动了新型制造策略的开发。

一项突破性研究通过改进熔融电纺（Melt Electrofibrillation, MEF）技术，实现了胶原蛋白纤维束的三级层次化构建。该技术通过在熔融电纺过程中引入可控的注射器旋转，直接生成具有可调扭转角度的聚酯纤维束，并进一步通过精密打印形成复杂的三维支架。这种方法的创新性在于将传统需要多步骤完成的纤维制备、扭转和结构成型整合为单一连续流程，显著提升了仿生结构的精准性和效率。

**纤维结构的层级化调控**
研究团队以聚酯材料（PCL/PVAc共混物）为模板，利用旋转注射器产生螺旋纤维束。通过调整旋转速度（最高达1400转/分钟），可控制纤维的扭转角度，范围为0°至35°，完美复现天然组织中胶原纤维的螺旋形态（如膀胱、子宫和动脉中的扭曲纤维）。实验发现，扭转结构能增强纤维束的机械强度，其原理在于纤维间的摩擦力和螺旋张力抑制了材料在拉伸过程中的滑移。当纤维扭转角度超过20°时，材料在拉伸至200%-400%的延伸率时仍能保持整体结构完整，而未扭转的纤维则因内部应力分散导致渐进性断裂。

**三维支架的定制化成型**
该技术通过熔融电纺直接打印复杂几何结构，突破了传统编织或静电纺丝的局限性。例如，通过编程可实现方形容器（边长900微米）的精准打印，并支持多层堆叠（高度达700微米）。研究还展示了动态调整扭转方向的能力：在单根纤维内，可通过瞬间反转旋转方向实现扭转角度的180°变化，从而模拟天然组织中不均匀的螺旋分布。此外，通过调整喷嘴直径（22G至27G），可控制纤维直径范围（20-70微米），满足不同组织微结构的复刻需求。

**细胞行为的仿生调控**
在细胞实验中，研究团队选取三种间充质细胞（肌细胞、骨髓间充质干细胞、牙周韧带细胞）进行验证。肌细胞（C2C12）在扭转纤维上表现出显著定向排列，细胞长轴与纤维扭转角度呈正相关（最高达29°）。值得注意的是，扭转纤维的机械性能（弹性模量提升30%-50%）与细胞功能增强存在正相关性：扭转角度为30°的纤维支持细胞形成更致密的肌原纤维网络，其分化标志基因（如MYOG）表达量较未扭转纤维高118倍。骨髓间充质干细胞（SCP-1）则通过纤维表面黏附蛋白（如ITGB1）的富集，实现快速贴壁并分化为成骨或成脂前体细胞。

**材料与细胞互作的分子机制**
基因表达分析揭示了扭转纤维对细胞命运的调控作用。例如，在受到机械拉伸刺激时，扭转纤维上的细胞（PDL-TERT）显著上调FOS（机械敏感转录因子）和COL6A1（胶原 VI型）的表达，而未扭转纤维在相同条件下因结构失效无法传递有效力学信号。免疫荧光染色显示，扭转纤维引导的细胞骨架重组更接近天然组织的应力分布，且细胞核沿纤维方向排列的一致性达95%，较传统支架提升40%。

**临床转化潜力**
该技术已成功复现多种组织的胶原纤维超结构：在动脉组织中，15°-25°的螺旋纤维可模拟血管弹性纤维的应力传递路径；而在牙周韧带中，35°的扭转角度与天然纤维的波浪形分布高度吻合。通过结合蛋白质涂层（如重组胶原蛋白），支架的细胞黏附效率可进一步提升至98%，为骨关节炎或肌腱损伤的再生医学提供新方案。

**技术局限性及改进方向**
当前研究仍存在若干挑战。首先，直径小于50微米的超细纤维在打印过程中易断裂，难以复刻角膜等组织中纳米级胶原网。其次，细胞浸润深度受限于纤维束厚度（通常为100-300微米），对深层组织的修复模拟不足。未来研究可探索以下方向：开发微型化喷嘴（如10G以下）实现纳米级纤维排列；引入磁响应材料，通过外部磁场动态调控纤维构象；或与微流控技术结合，实现细胞-支架-微环境的精准控制。

这项技术为组织工程提供了可扩展的解决方案。通过参数化设计（材料配比、旋转速度、喷嘴直径），研究者可定制具有特定力学性能和细胞响应特性的支架。例如，在模拟皮肤拉伸性能时，采用低转速（800转/分钟）生成15°扭转的纤维网，其断裂强度较传统无纺布材料提升2.3倍；而在重建肌腱时，高转速（1400转/分钟）产生的30°扭转纤维，其储能模量达到自然肌腱的85%。这种参数化设计能力使该技术适用于从皮肤修复到心血管支架的多样化临床需求。

综上所述，熔融电纺结合旋转喷射技术，不仅解决了胶原纤维超结构重建的难题，还通过力学-生物信号的协同调控，实现了细胞定向分化的精准控制。这种“结构-功能-行为”三位一体的仿生制造范式，为人工组织的设计提供了新的理论框架和技术路径。后续研究可进一步探索动态力学刺激（如周期性拉伸）对细胞成熟度的影响，以及多材料复合支架在血管化组织工程中的应用。