《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Thermally induced phase separation as a heat exchange-driven technique to produce poly-(L-lactic acid) scaffolds with controlled-gradient pore size morphology
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•TIPS技术可制造出孔径可调节的高度定制化支架。•热调控可控制PLLA支架的孔径及梯度形成。•首次冷却步骤影响孔径，而快速冷却则决定梯度形成。•冷却速率差异会影响孔径及PLLA的局部结晶度。引言组织工程是一门融合工程学与生命科学的交叉学科，其目标是恢复、维持或改善受损组织的功能
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TIPS技术可制造出孔径可调节的高度定制化支架。
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热调控可控制PLLA支架的孔径及梯度形成。
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首次冷却步骤影响孔径，而快速冷却则决定梯度形成。
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冷却速率差异会影响孔径及PLLA的局部结晶度。
引言
组织工程是一门融合工程学与生命科学的交叉学科，其目标是恢复、维持或改善受损组织的功能[1]、[2]。为实现这一目标，组织工程开发出了被称为支架的三维生物临时性人工替代物[3]。支架是一种相互连接的多孔结构，能够模拟人体组织的复杂性与异质性[4]、[5]。
例如，骨组织由外层的致密层和内层的松质骨构成：外层密度高、孔隙率低（5–30%），孔径较小（≤100微米），负责提供机械支撑；而内层孔隙率极高（50–90%），孔径较大（300–600微米），既能分散机械负荷又能保证灵活性[6]、[7]、[8]。总体而言，骨基质约70%为无机成分，25%为有机成分，5%为水分[9]、[10]。软骨组织是一种有弹性、无血管的结缔组织，可分为表层、中间层和深层，这三层在细胞结构、成分及力学性能上存在差异[11]、[12]，其孔隙率从60%到85%不等，且越往深层孔径越大[8]。骨软骨组织则是由软骨和骨构成的另一种分层结构，由于其天然的复杂结构，其再生是组织工程领域的一大挑战[13]、[14]。皮肤也是分层结构，由表皮、真皮和皮下组织组成：表皮孔隙率极低且具有高疏水性；真皮的孔隙率逐渐增加，且所含胶原蛋白类型也有所不同；皮下组织则孔隙率很高且亲水性强。这种结构差异使得皮肤的杨氏模量在0.005到140兆帕之间[15]、[16]。此外，牙齿组织也是分层结构：外层为矿化层，内部为结缔组织及新生血管[17]。最初用于组织再生的支架多为均匀结构，这类支架虽成本低廉、制作简单，但无法模拟天然组织的复杂性，从而影响支架与组织的整合以及组织再生效果[18]。多层支架虽能更好地模拟复杂组织，但存在粘附力弱、易分层的问题，且无法实现生理、力学和结构上的自然过渡[14]、[19]。近年来，连续梯度孔支架通过逐步改变几何结构、密度、孔隙率和硬度，模拟天然细胞外基质的特性，成为克服上述局限、实现多种天然组织各向异性特征的最佳解决方案[11]。精确设计空间渐变的微环境与动态网络对于引导生物界面的各向异性结构再生、形成连续平滑的物理梯度至关重要[20]。CGPS通过孔径和孔隙率的渐进变化促进流体传输，提升营养物质的渗透能力[21]。根据达西定律，实验测量结果显示其渗透率从8.65%上升至44.2%；而计算流体力学分析则显示这一数值从8.8%上升至49.6%，这些数据均是相对于均匀支架而言的[22]。CGPS还能提高结构的机械稳定性，增强承载能力并降低应力集中现象[23]、[24]、[25]。此外，梯度孔径还有助于促进细胞粘附与增殖，提升生物相容性并减少炎症反应[11]、[26]。实验结果显示，与均匀结构相比，使用CGPS后细胞接种效率可从23.7%提升至47.0%[26]。因此，支架结构的设计能够调控局部微环境，使其处于有利于组织再生的状态。这种结构控制对于促进血管生成等过程具有重要意义，也为治疗严重复杂的疾病提供了有效策略[27]。
在用于制造支架的生物材料中，聚合物材料因其良好的生物相容性、无毒性、可控的降解速率以及适宜的力学性能，被视为最具应用前景的材料，其中包括合成材料（如PMMA、PU、PEG和聚酯类）以及天然材料（如壳聚糖、胶原蛋白、海藻酸和透明质酸）[28]、[29]。在合成材料中，生物活性聚氨基酸材料因能够构建自适应结构、实现复杂分层组织的动态调控而备受关注[30]。
目前有多种技术可用于制造CGPS。例如，Thai等人[31]采用可食用的致孔剂，结合溶剂浇铸法和颗粒浸出法，制备了用于口腔及颌面骨修复的3D聚己内酯/聚乙烯吡咯烷酮支架。这类支架的孔隙率为80–85%，在体内和体外实验中均表现出良好性能，但其形态完全取决于致孔剂的尺寸。这种组合通常能够实现孔径的可控调节，且可通过低成本方法制成孔隙率高达50–90%的结构[14]、[32]。在Han等人的研究中[33]，他们采用了无需使用有毒溶剂的环保型气体发泡技术来制备用于软骨再生的PCL基聚氨酯多孔支架，这类支架的孔结构较为封闭且连通性较差。后来通过硫酸处理开放表面结构，解决了这一问题。该技术虽然能制备出孔隙率较高的多孔支架，但孔结构并不完美[33]、[34]。Molina等人[35]则利用静电纺丝技术，以PCL和海藻酸为原料，制备出了具有高表面积和良好连通性的分层纤维支架，用于皮肤组织工程。不过，有机溶剂的使用可能会影响生物性能，且难以控制支架的合适厚度，这也是该技术的局限性[36]。尽管没有一种单一的制造技术是最适合生产CGPS的，但增材制造因可通过计算机辅助设计精确控制孔径和结构连通性，被视为制造复杂结构的最具潜力技术。不过，该技术的应用仍受限于可用打印材料的种类、专用设备以及分辨率的限制[37]、[38]。Karimi等人[39]则利用3D打印技术制备了定制化的PCL和羟基磷灰石支架，用于骨再生，这类支架的最小孔径可达0.4毫米。
目前，如何精准调控孔径梯度仍是支架制造领域的关键难题。本研究旨在通过热诱导相分离技术制造聚L-乳酸多孔支架，以此克服这些限制。TIPS是一种基于热交换的工艺，属于简单、通用且成本较低的技术，能够制造出符合特定组织需求的高度定制化、连通性良好的多孔结构[40]。PLLA是一种具有良好力学性能的生物相容性聚合物，已被美国食品药品监督管理局批准用于组织工程应用[41]。在TIPS技术中，支架的形态取决于控制相分离过程的多个参数，包括聚合物浓度、溶剂与非溶剂的比例以及温度历史[42]、[43]。具体而言，该技术采用两阶段冷却流程，相较于直接快速冷却，这种流程更能有效控制支架的层级结构。首先通过冷却将系统带入亚稳态，此时相分离由成核与生长机制驱动；随后通过快速冷却使溶液温度降至冰点以下，进入不稳定状态，在此状态下会发生旋节分解，从而形成高度连通的网络[44]。在这些参数中，本研究重点探讨了热传递调控作为控制支架形态的关键因素。研究通过MATLAB软件进行瞬态热建模，重建温度-时间关系，分析热阻的存在如何影响热传递，进而影响孔径梯度。研究人员共对四种支架结构进行了建模、制备，并通过扫描电子显微镜、微计算机断层扫描和差示扫描量热法从形态和热学角度对样品进行了全面分析。
章节要点
以导热为主的热传递建模
本研究使用了MATLAB? R2024b版本中的偏微分方程工具箱?（The MathWorks, Inc., Natick, MA, USA），对第一阶段冷却过程进行热瞬态建模。冷却过程从60℃开始，这一温度可确保溶液均匀，这一结论已在前人研究中得到验证[42]，冷却时间为45分钟；之后进入第二阶段冷却，温度从30℃降至-20℃，冷却时间为30分钟。选择这三个温度是为了将体系置于不同的热力学区域。
温度-时间曲线的确定
本研究的第一部分旨在通过数学建模，分析热历史对通过TIPS技术制备的样品最终形态的影响。为此，我们在LDPE样品架周围加入了隔热层——PTFE外壳，该隔热层在LDPE样品架与PTFE外壳之间形成了空气间隙。由于PTFE的导热性较低，这一中间层提升了系统的有效热阻。
结论
本研究表明，在热诱导相分离技术中调控热传递是定制聚L-乳酸支架形态的关键因素。瞬态热建模与实验验证均表明，温度梯度是形成孔径梯度的根本原因。具体来说，首次冷却步骤会影响孔径大小，而第二次快速冷却则对孔径的形成起着决定性作用。
CRediT作者贡献说明
Dario Davì：论文撰写——审阅与编辑、原始草稿撰写、可视化处理、方法设计、正式分析、数据整理。Camilla Carbone：论文撰写——审阅与编辑、结果验证、研究指导、数据整理、概念构思。Valerio Maria Bartolo Brucato：论文撰写——审阅与编辑、可视化处理、研究指导、方法设计、概念构思。Giulio Ghersi：论文撰写——审阅与编辑、可视化处理、研究指导、方法设计、概念构思。Francesco Carfì Pavia：论文撰写——审阅与
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者感谢巴勒莫大学——生物材料制备与分析实验室旗下的先进技术网络中心（ATeN Center）提供的μ-CT检测设施支持，同时也要感谢实验室负责人Mariano Licciardi教授以及Paolo Bonomo为本研究给予的帮助。
Dario Davì|Camilla Carbone|Valerio Maria Bartolo Brucato|Giulio Ghersi|Francesco Carfì Pavia
