《Biomaterials Advances》：High-resolution dual-scale scaffolds
via stable-jet dual-spinneret melt electrowriting
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本研究開發了一種雙噴嘴熔融電紡（MEW）系統，可實現連續穩定生產不同直徑的纖維。通過整合機械支撐的厚纖維（約67μm）與高分辨率的薄纖維（約9μm），構建了多尺度支架。該支架在提高力學性能（承載能力達7.25N）的同時，通過精確纖維結構引導細胞定向排列，解決了傳統電紡纖維強度不足的問題，擴展了組織工程應用中的微架構設計空間。
任一怡|張新宇|李婷|李濤|夏宇欣|葉思偉|盧世宇|杜磊|金婷婷
浙江科技大學時裝設計與工程學院，中國杭州，310018
摘要
在組織工程中，支架的設計旨在促進細胞黏附、加速細胞增殖并引導組織形成。熔融電寫（MEW）是一種先進的高分辨率增材制造技術，能夠精確控制纖維直徑和孔隙結構。然而，由超細纖維制成的支架往往機械強度不足，這限制了其實際應用。本研究開發了一種雙噴頭MEW系統，能夠在連續且穩定的噴射條件下按需切換不同直徑的纖維，從而利用醫用級聚（ε-己內酯）（PCL）材料制備出分層雙尺度支架。這種支架結合了具有機械支撐性的粗纖維（約67微米）和高分辨率的細纖維（約9微米），實現了承載能力與明確拓撲結構之間的協同效應。值得注意的是，這些增強機械性能的粗纖維直徑遠小于傳統熔融沉積建模（FDM）所生成的纖維直徑（約250微米），從而最大限度地減少了對細胞遷移的干擾。所制備的支架不僅結構穩定性得到提升，而且細胞在精確定義的纖維結構引導下實現了良好的排列。本研究建立了一種基于MEW的制造策略，可用于構建機械性能可靠、具有分層結構且幾何精度高的支架，為組織工程應用中的微結構材料設計提供了新的可能性。
引言
組織工程支架為細胞活動提供了必要的結構支持和生物信號，在再生醫學領域發揮著重要作用[1]。過去幾十年中，電紡技術已被證明是一種有效的制備連續超細纖維的方法[2]，這些纖維能夠緊密模擬細胞外基質（ECM），因此在組織工程支架（包括皮膚修復[3]、骨骼再生[4]、神經再生[5]等）中得到了廣泛應用。
然而，盡管電紡支架具有諸多優勢，但其固有的小孔徑限制了細胞的有效滲透，進而影響了組織再生的支持能力[6],[7]。此外，隨機分布的纖維方向也阻礙了細胞的有序排列，限制了組織的有序形成和功能恢復[8]。
熔融電寫（MEW）技術的出現解決了這些問題。該技術通過將收集器放置在流體不穩定性出現之前，有效消除了傳統電紡過程中的“鞭打”現象，實現了熔融纖維的精確逐層沉積，并在微觀尺度上實現了對支架結構的無與倫比的控制[9]。利用這些優勢，MEW不僅克服了傳統電紡支架的局限性，還能制備出高度復雜的結構，以模擬天然組織的特定結構和微環境。
盡管高分辨率MEW支架能夠支持細胞生長并引導細胞遷移，但其細長的纖維仍使這些結構容易發生變形和斷裂[10]。尤其是聚（ε-己內酯）（PCL）作為常用的MEW聚合物，由于其低熔點、優異的熱穩定性和良好的生物相容性而被視為黃金標準，但其較低的楊氏模量（約0.4 GPa）嚴重限制了PCL基MEW支架的機械性能和應用范圍[11]。為了解決這一問題，何等人[12]和梅拉等人[13]提出了一種混合制造策略，將熔融沉積建模（FDM）與MEW結合，制備出兼具機械支撐性的粗纖維和高分辨率微纖維的雙模態支架。在這種結構中，粗纖維作為承重框架，而細纖維則提供了促進細胞黏附的生物活性界面。然而，FDM打印的纖維直徑遠大于ECM的特性尺寸，可能對微環境產生不利影響并限制細胞遷移[14]。
達爾頓等人[15]表明，通過調整MEW參數（如施加的氣壓）可以拓寬纖維直徑范圍，從而在機械性能和生物性能之間取得平衡。但由于MEW的多參數特性，任何參數的變化都需要其他參數的相應調整，以防止“纖維脈動”[16]。更重要的是，參數調整需要足夠的時間達到穩定狀態，而噴射不穩定可能會影響支架的結構精度。另一種方法是調節打印速度來動態控制纖維直徑。雖然提高打印速度可以產生更細的纖維[17]，但過度拉伸會降低沉積精度、破壞噴射穩定性，并限制纖維直徑的可控范圍和打印精度。總體而言，這些方法依賴于改變噴射穩定性或噴射-收集器沉積狀態來調節纖維尺寸，這不可避免地會在打印分辨率和工藝穩定性之間產生權衡。
因此，受我們之前研究的啟發[18]，雙噴頭系統有望成為制備高分辨率、雙尺度支架的有效策略，以克服上述挑戰。與傳統單噴頭系統不同，雙噴頭系統可以獨立調節加工參數（包括噴嘴尺寸），同時確保兩個噴頭的噴射速度相同，從而擴大可用的纖維直徑范圍，并在保持噴射穩定的前提下實現實時切換纖維直徑。利用這一平臺，制備出了具有多層粗纖維框架和細纖維填充物的雙尺度支架，不同層的纖維直徑各不相同。系統地評估了這些支架的機械性能，并使用人骨髓間充質干細胞（hBMSCs）和人真皮成纖維細胞（HDFs）對其生物性能進行了測試。總體而言，本研究為構建分層雙尺度支架提供了一種通用策略，并可輕松擴展到異質材料系統，為先進的組織工程應用開辟了新的可能性。
材料
使用的醫用級聚（ε-己內酯）具有1.0–1.3 dL/g的固有粘度和約79,760 g/mol的數均分子量（M?）（Purasorb PC12，批次號7500098050，Corbion，荷蘭），按照先前描述的程序進行儲存[19]，在打印前無需進一步處理即可使用。
MEW雙噴頭打印機
所有支架的制備均使用了自主研發的雙噴頭MEW打印機。該定制系統的詳細規格如下：
優化打印參數以獲得所需的纖維直徑
為了實現目標粗纖維和細纖維直徑，系統地研究了施加壓力作為主要控制參數。最小壓力設定為50 kPa，因為低于此閾值時無法維持穩定的泰勒錐形結構。對于21 G噴嘴，超過200 kPa的壓力會導致過高的聚合物流速，并超出定制系統的操作范圍。因此，工作壓力范圍被設定為50–200 kPa。
結論
總結來說，通過在一個連續的MEW過程中實現纖維直徑的穩定按需切換，成功制備出了分層雙尺度支架，這些支架結合了具有機械支撐性的粗纖維（約67微米）和高分辨率的細纖維（約9微米）。粗纖維提供了有效的承重支持，使支架能夠承受約7.25 N的破壞載荷，同時保持足夠小的尺寸以減少對細胞遷移的阻礙。細纖維則形成了明確的
CRediT作者貢獻聲明
任一怡：撰寫——原始稿件，實驗研究。
張新宇：撰寫——原始稿件，實驗研究。
李婷：方法學設計。
李濤：指導監督。
夏宇欣：實驗研究。
葉思偉：實驗研究。
盧世宇：實驗研究。
杜磊：撰寫——審稿與編輯，方法學設計，資金籌集，概念構思。
金婷婷：撰寫——審稿與編輯，資金籌集。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文的研究結果。
致謝
本項工作得到了國家自然科學基金（編號52403054、82305040）、浙江省衛生健康科技計劃（編號2024KY742、2024KY674）以及浙江大學學生科技創新活動計劃（編號2025R406C086）的支持。
