基于熔融电写技术的拉胀纤维支架理性设计与建模及其在软组织工程中的应用

为解决软组织工程中生物材料支架力学性能与天然组织匹配的难题，研究人员通过熔融电写(MEW)技术结合有限元(FEM)建模，开发了具有可调拉胀(auxetic)结构的微纤维支架。研究成功构建了HCELL、SREG、SINV和STRI四种拉胀支架，其非线性力学响应与皮肤等软组织高度匹配，并通过成纤维细胞培养验证了生物相容性。该研究为定制化软组织修复支架的设计提供了系统的计算框架。

　　

在人体这个精密的"生物机器"中，软组织就像各部件间的缓冲垫，既要柔韧有弹性，又要能承受复杂多变的力学环境。当这些组织因创伤或疾病受损时，传统的自体移植面临着供体有限、免疫排斥等问题。更棘手的是，不同部位的软组织——从富有弹性的真皮层到强韧的肌腱——其力学性能千差万别，这给人工支架的设计带来了巨大挑战。

近年来，具有负泊松比特性的拉胀(auxetic)材料在组织工程领域崭露头角。这类材料在拉伸时会横向膨胀，压缩时反而收缩，这种"反常识"的力学行为使其具有优异的能量吸收和应力分布能力。有趣的是，自然界中某些生物组织也展现出类似的拉胀特性，这为仿生支架设计提供了灵感。然而，现有拉胀支架的设计多依赖经验尝试，其微结构、力学性能和可制造性之间的关系尚不明确，严重制约了临床应用。

针对这一瓶颈，来自西班牙萨拉戈萨大学的研究团队在《Results in Engineering》发表了一项创新研究。他们巧妙地将熔融电写(Melt Electrowriting, MEW)这一先进的3D打印技术与有限元(Finite Element Method, FEM)建模相结合，建立了一套拉胀纤维支架的理性设计体系。MEW技术能精确控制微米级纤维的沉积，而FEM模型则可以提前预测支架的力学行为，两者优势互补，为定制化软组织修复支架的开发提供了新思路。

研究人员主要采用了四大关键技术：首先通过Python脚本参数化生成五种拉胀结构（HCELL、SREG、SINV、STRI和Arrowhead）的G代码；其次利用ABAQUS软件建立基于B31梁单元的FEM模型；接着采用自行搭建的MEW系统打印聚己内酯(PCL)支架；最后通过双轴拉伸测试和正常人真皮成纤维细胞(NHDF)培养分别评估力学性能和生物相容性。特别值得一提的是，团队开发的计算框架不仅能模拟理想结构，还能通过调整参数来修正实际打印中产生的几何偏差。

【MEW fabrication of auxetic scaffolds requires optimization to achieve design-accurate geometries】

研究团队成功制备了四种拉胀支架，其实际孔径与理论值偏差仅8-10%。通过优化打印参数，解决了MEW工艺中常见的纤维桥接和静电干扰问题，将最小孔径控制在300μm以下。其中HCELL和SINV设计的孔径最小（约0.46mm），为细胞附着提供了理想环境。

【Mechanical behavior of the scaffolds is strongly dependent on their auxetic fiber design】

双轴拉伸测试揭示了支架典型的双相非线性力学响应：初始低应力阶段对应拉胀结构的展开，随后进入线性强化阶段。特别值得注意的是，SREG设计的刚度最低（0.23-0.27MPa），而SINV和STRI的刚度是其3倍，证明不同结构可覆盖广泛的力学需求。所有支架的断裂应变均超过2.5，远超人体皮肤的典型值（0.16-2）。

【Computational model accurately matches auxetic scaffold mechanics】

FEM模型成功预测了支架在40-60%应变范围内的力学行为。位移和应力分布图显示，应力主要集中在纤维连接处，最高超过PCL的屈服强度（12MPa）。虽然模型在低应变区略微低估了SINV和STRI的刚度（差异<50kPa），但整体趋势与实验高度吻合。

【Altered mechanical behavior produced by MEW-induced distortions can be recapitulated and corrected via computational modeling】

针对打印中出现的纤维偏移问题，研究人员创新性地通过逐层减小5%几何参数B来模拟这种偏差。修正后的模型准确再现了"偏移打印"支架的力学行为——其刚度增加且功能极限应变降低。这一发现为MEW工艺优化提供了直接指导。

【Auxetic MEW scaffolds exhibit mechanical behavior relevant to soft biological tissues】

与皮肤组织的对比显示，这些支架的力学性能（应力0-400kPa，刚度约1MPa）完全覆盖了伤口愈合所需的应力范围（88-381kPa）。NHDF培养实验证实细胞能在支架上存活超过7天，初步验证了其生物相容性。

在讨论部分，作者深刻指出这项研究的双重突破：一方面建立了首个能同时考虑设计和制造偏差的拉胀支架计算模型；另一方面开发出力学性能可精确调控的MEW制备工艺。这种"设计-模拟-制造-验证"的闭环框架，为个性化组织工程产品的开发提供了标准化流程。虽然当前模型在模拟纤维接头强化效应方面存在局限，但通过引入局部3D实体子模型有望进一步提升精度。

这项研究的意义不仅在于解决了软组织工程中的关键力学匹配问题，更开创了一种可推广的理性设计范式。正如作者展望的那样，未来结合机器学习构建逆向设计系统，将能实现"性能导向"的智能支架设计。从长远来看，这种融合计算科学与生物制造的方法，或将重塑整个再生医学领域的产品开发模式。