电纺仿生鼓膜植入物：纤维排列模式对声-力学行为的调控机制及临床应用价值

针对鼓膜穿孔修复术中自体移植物功能恢复不足的难题，德国德累斯顿工业大学团队通过有限元模拟系统研究了电纺PCL纤维支架的径向/环状纤维排列模式对声学振动和机械稳定性的影响。研究发现混合纤维结构FFS3在保持710Hz共振频率时，兼具高声学顺应性(35.7μm/Pa)和低静态变形(452μm)，为开发仿生鼓膜植入物提供了重要理论依据。

　　

鼓膜穿孔是导致传导性听力障碍的常见疾病，传统myringoplasty（鼓膜成形术）使用自体组织移植存在供区创伤、材料不足等问题，且难以复制天然鼓膜独特的纤维网络结构。更棘手的是，临床使用的移植物往往无法兼顾声学传导和机械稳定性这对矛盾需求——高刚度材料虽能抵抗中耳压力变化，却会严重削弱声波传导效率。这种两难局面使得鼓膜修复术后患者听力恢复程度有限，成为耳科领域亟待突破的技术瓶颈。

德国德累斯顿工业大学（Technische Universit?t Dresden）耳研究中心的研究团队在《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》发表创新研究，通过有限元分析揭示了纤维排列模式对鼓膜植入物功能的调控规律。研究人员设计了6种纤维/细丝结构（FFS1-FFS6），包含纯径向、纯环状及混合排列等构型，采用GeoDict软件构建数字孪生模型，通过模态分析和谐响应分析系统评估了不同结构的声-力学性能。关键技术包括：基于Micro-CT数据的3D建模、代表体积单元（RVE）均质化计算、710Hz共振频率归一化处理，以及5kPa静态压力下的非线性变形分析。

研究结果部分：

1. 动态行为取决于细丝结构

   归一化分析显示，3D锥形模型厚度仅为2D模型的1/4即可达到相同共振频率。环状细丝结构（FFS2）振动幅度最高（22.9μm/Pa），而径向结构（FFS1）机械稳定性最佳。

2. 静态行为与细丝结构的关系

   锥形模型中最大位移发生在锥体过渡区而非中心，混合结构FFS3在保持35.7μm/Pa声学响应的同时，静态变形仅452μm，显著优于单一取向结构。

3. 最优结构筛选

   通过声-力学性能矩阵评估，含8根径向和11根环状细丝的FFS3结构（径向占比0.42）展现出最佳平衡性能，其振动幅度比纯环状结构提高56%，静态变形降低15%。

4. 径向/环状细丝比例影响

   当径向细丝比例增至0.53（10Radial模型）时，声学顺应性出现平台效应，证实天然鼓膜近1:1的径向-环状纤维比例具有最优生物力学基础。

讨论部分强调，这项研究首次通过参数化模拟揭示了鼓膜胶原纤维排列的功能分化：环状纤维主要调控声学振动性能，而径向纤维主导机械稳定性。临床意义在于：① 证实锥形结构通过形成环形低阻抗区提升声能转换效率；② 为电纺支架的仿生设计提供量化标准，即径向与环状纤维的最佳比例为1:1；③ 指出垂直交叉结构（FFS5）可作为平面植入物的备选方案。该成果不仅推动鼓膜修复材料的精准设计，其揭示的"纤维取向-功能"映射规律更为其他膜状器官的再生医学研究提供范式。