《Advanced Fiber Materials》：Advances in Melt-Electrowriting of Fibrous Bioscaffolds: A High-Resolution Manufacturing Strategy for Tissue Regeneration
编辑推荐：
本综述系统阐述了熔融电写（MEW）这一高分辨率增材制造技术的最新进展。文章深入剖析了MEW系统组成、打印机理及关键工艺参数，重点探讨了其在模拟天然细胞外基质（ECM）精细结构方面的优势，并综述了基于MEW策略的纤维支架在心脏、骨、软骨、血管、韧带与肌腱、牙周及神经等多种组织工程与再生领域的应用。文章进一步强调了将MEW与生物活性材料结合以增强构建体生物功能性的有效途径，最后展望了该技术面临的挑战与未来发展方向，为基于MEW的生物制造技术的临床转化提供指导。
熔融电写技术概述
熔融电写（Melt-electrowriting, MEW）是一种新兴的高分辨率增材制造技术，它通过结合电流体动力纤维牵引和熔融挤出原理，能够精确沉积微纳米尺度纤维，从而构建模拟天然细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）复杂结构的纤维支架。与需要溶剂的电流体动力打印相比，MEW采用熔融聚合物作为打印材料，具有无溶剂处理、工艺稳定性更高以及避免毒性残留风险等优势。一个典型的MEW系统主要由加热套玻璃注射器、高压电源、计算机辅助平移系统和收集器组成。在打印过程中，材料在注射器中熔化，并在压力下通过金属喷嘴挤出。同时，在喷嘴上施加高压，使带电的悬垂液滴变形为泰勒锥。当电荷克服表面张力时，带电射流被喷射向收集器，并在计算机控制下按特定路径沉积，最终构建出具有定制几何形状的纤维支架。
基本原理与工艺策略
为实现一致的纤维直径和稳定的支架结构，需要对关键工艺参数进行优化，包括施加电压、进料速率、喷嘴到收集器的距离、收集器速度以及收集器类型。施加电压直接影响静电力的大小和泰勒锥的维持，进而影响打印精度。进料速率（由压力控制）决定了纤维的直径，但需保持在最佳范围内以避免挤出困难和射流不稳定。喷嘴与收集器之间的距离影响电场强度，进而影响泰勒锥和射流的形成。收集器速度显著影响纤维直径和射流形态。当打印速度超过平移速度时，会出现“射流滞后”现象。在临界平移速度（Critical Translation Speed, CTS）下，射流垂直于收集器基底，收集到的纤维是笔直的；低于CTS时，射流振动导致纤维呈卷曲或正弦曲线状；高于CTS时，纤维与收集器基底之间的角度减小，射流滞后程度增加，导致纤维直径变小。此外，利用收集器的锯齿形运动可以制造正弦曲线状纤维支架，并能广泛调节其形态周期和振幅。
打印精度受多种因素影响，主要包括纤维偏差（包括纤维重叠和倾斜）和残余电荷密度。纤维偏差不仅受材料温度、收集器温度、收集器导电性、施加电压和喷嘴到收集器距离等工艺参数影响，还受支架设计参数（如纤维直径、层数和纤维间距离）以及不可避免的射流滞后影响。通过减小纤维直径和层数，增加纤维间距离，可以提高打印精度。研究表明，当纤维间距是纤维直径的五倍以上时，可以实现均匀的纤维排列。尽管堆叠偏差通常被视为不精确，但研究人员可以利用微尺度层位移来精确控制几何形状和力学性能，从而创建创新的非线性几何形状，如悬垂结构和分支，展示了MEW无与伦比的灵活性。
聚合物材料的选择
常用于MEW的生物材料以聚己内酯（Polycaprolactone, PCL）及其衍生物为主，这主要得益于PCL优异的生物相容性、高分子量、低熔点、快速凝固和卓越的加工性能。PCL在加热条件下能长时间保持其杨氏模量、屈服强度和结晶度。为满足不同组织工程应用的需求，可采用多种方法对PCL进行改性。例如，通过氧等离子体处理或表面修饰来改善PCL支架的亲水性，从而增强细胞粘附/增殖能力。将熔融PCL与纳米羟基磷灰石（nano-Hydroxyapatite, nHA）混合可制备促进骨形成的PCL/nHA复合支架。此外，将PCL与其他材料（如聚乙二醇PEG和罗红霉素ROX）共混，可得到具有改善亲水性、细胞增殖和抗菌性能的复合支架。其他材料如聚乳酸（Polylactic Acid, PLA）和聚左旋乳酸（Poly(L-lactic acid), PLLA）也逐渐被用于制造高保真结构，它们相比PCL具有更好的生物降解性和更高的刚度。通过开环聚合合成的聚（左旋丙交酯-共-己内酯-共-丙烯酰碳酸酯）（PLACLAC）则显示出制造具有刚性、弹性和抗蠕变性的纤维支架的能力，专为肌腱和韧带修复而设计。
组织工程应用进展
组织病理的发生常与ECM的破坏相关，导致病理性组织重塑和最终的功能障碍。MEW技术能够轻松调控支架的力学性能（如有效刚度和各向异性），从而为具有不同尺寸或结构的组织提供定制化设计。
心脏组织工程
心血管疾病（Cardiovascular Diseases, CVDs）的高发病率和死亡率促使人们寻求重建心脏组织的策略。理想的支架需具备合适的力学性能以促进收缩、引导细胞定向排列以及出色的导电性以促进心肌细胞（Cardiomyocytes, CMs）间的电信号传播。MEW制备的网格结构通常呈现各向同性力学性能，而矩形结构则表现出各向异性。在低于CTS的特定打印条件下制备的正弦结构支架，相比矩形支架表现出更低的杨氏模量和更高的弹性极限应变，有利于跳动细胞的同步收缩。类似地，蛇形结构可以模仿心脏ECM中的弯曲胶原纤维，表现出出色的柔韧性和弹性。拉胀结构则基于负泊松比表现出双向同步变形，具有剪切阻力、压痕阻力等独特特性。受蜂巢启发制造的六边形3D微结构支架能够实现大的各向异性可逆变形，其能量吸收和释放能力远超矩形结构。此外，将水凝胶与MEW支架结合也是增强机械性能的有效策略，例如具有菱形孔的仿生支架在封装有纤维蛋白-细胞水凝胶悬浮液后，可实现大规模的协同变形。
为赋予支架导电性，主要方法包括溅射涂层（如金纳米颗粒）、原位化学氧化聚合（如聚吡咯PPy）和混合打印（如PEDOT:PSS-PEO导电层）。压电材料如聚偏氟乙烯（PVDF）也与MEW结合，通过外部磁场驱动变形产生压电刺激，显示出治疗心肌梗死的潜力。
骨再生
MEW支架能够支持骨修复过程中较小血管网络（直径≤20微米）的生长。相比熔融沉积建模（Fused Deposition Modeling, FDM）支架支持更大血管的形成，MEW支架支持更高水平的新骨形成，并鼓励形成致密的微血管网络。研究表明，100微米及以上的孔径有利于骨形成，因其具有高全局刚度、局部纤维刚度、优异的接种效率以及增强人骨髓间充质干细胞（Mesenchymal Stem Cells, MSCs）胶原和矿物沉积的能力。超过500微米的孔径则通过其大表面积和优异的连通性增强血管化和骨形成。具有孔隙梯度结构的支架是模拟天然骨ECM的优秀模板。
为促进骨愈合，常将nHA涂层修饰于支架表面，这类支架能促进成骨分化并使巨噬细胞极化为M2表型。另一种常见的生物材料磷酸钙（Calcium Phosphate, CaP）类似于骨中的无机矿物相晶体，可通过释放钙磷离子调节破骨细胞和成骨细胞活性。为规避手术引起的骨感染，可将抗生素（如ROX）掺入纤维支架中，实现药物的爆发式释放和后续的持续释放。将MEW PLLA支架与明胶/生物玻璃结合，可利用明胶分子链上的氨基（NH3+）作为nHA晶体形成和生长的活性位点，促进nHA成核。
软骨组织工程
关节软骨损伤加速关节退变并导致骨关节炎，但其再生能力极其有限。构建工程化人工软骨类似物主要需要模拟天然软骨的区域结构（表层、过渡层和深层）以及掺入软骨生长因子。MEW可用于构建引导细胞增殖和分化的网络结构，有效重现天然软骨的结构并支持常规负重活动。
将细胞自组装优势与MEW打印纤维支架相结合，可以引导工程组织内仿生胶原网络的沉积，模仿天然关节软骨的结构和功能。将MEW支架与水凝胶协同整合，有助于区域调控细胞命运，并促进粘附、增殖和分化。MEW还可用于制造复杂的双层微纤维结构，以复制关节软骨的区带力学性能。混合生物打印则将喷墨打印与MEW结合，将大量细胞沉积到MEW支架中，支持其自组装成有序的球体阵列，最终生成杂交组织，其平衡模量可达180-214 kPa，拉伸杨氏模量达1.4 MPa，接近天然软骨范围。此外，支架的多孔结构可作为细胞收集器，促进软骨形成相关基因的表达。
将软骨生长因子（如转化生长因子-β, Transforming Growth Factor-β, TGF-β）固定在MEW PCL聚合物上，可支持软骨细胞分化和软骨组织形成。利用大气压等离子体射流（Atmospheric-Pressure Plasma Jet, APPJ）表面处理方法可实现TGF-β在3D打印聚合物网格上的共价固定，增强蛋白负载效率和生物活性。将MEW纤维支架与降冰片烯修饰的透明质酸（NorHA）水凝胶结合，可将软水凝胶的模量提高约50倍，同时保留水凝胶的软骨形成潜力。
血管移植物
MEW广泛用于生物制造血管移植物，特别是小直径移植物。管状移植物的制造依赖于圆柱形心轴，沉积的纤维通过旋转心轴配合线性滑动平移进行收集。通过控制工艺参数，可以制造具有低孔径和高支点数量的管状移植物。MEV血管移植物具有高重现性、纤维直径变异小和孔间距偏差可忽略的特点。支架的微观结构影响其整体力学属性，如菱形、拉胀、闭孔（直和波状）和开孔（直和波状）结构。菱形和拉胀结构通常具有更好的顺应性。开孔结构在纵向（高达150%）具有更好的变形能力。研究表明，具有小直径正弦结构和250微米间距的支架表现出与天然血管相似的力学性能。
韧带与肌腱组织工程
肌腱和韧带损伤的治疗具有挑战性。这些结缔组织表现出非线性拉伸特性、高度排列的细胞模式和波状胶原纤维特征。利用MEW制造的坚固、弹性且抗蠕变的正弦支架，在紫外线交联后力学性能增强。正弦结构显著增强了支架的柔韧性，使其能够管理运动中胶原纤维的加载和卸载。同时，纤维的几何形态可以引导细胞沿纤维路径排列。还开发了具有壳和核心的多尺度支架，这种仿生肌腱表现出强大的拉伸强度和加速肌腱组织再生的能力。
牙周再生
牙周病影响支持牙齿的牙周组织。由于牙周组织结构的复杂性，牙周组织再生是一项复杂的临床挑战。MEW支架被广泛探索用于复制牙周膜（Periodontal Ligament, PDL）和骨隔室的3D纳米纤维ECM。该基质以平行纤维结构和孔径梯度为特征。纤维支架促进细胞和胶原排列，依赖于拓扑线索和纤维结构为加速牙周再生提供必要条件。
为重建PDL和骨隔室的界面，设计了包含三个不同区域（骨区、界面区和PDL-骨区）的新型梯度支架。将不同的功能材料（如CaP）涂层于支架上以增强成骨能力。考虑到牙齿组织包括牙骨质和牙槽骨，促进骨修复的材料同样适用于牙科领域。氟化磷酸钙（F/CaP）涂层的MEW PCL纤维支架不仅能加速骨再生和促进牙-韧带-骨界面的同步再生，还对牙龈卟啉单胞菌产生显著影响。此外，具有特定化学组成的骨传导材料（如MgP生物陶瓷）也能促进骨再生能力。针对微生物丰富的口腔环境，引入了一种创新方法，将铜（Cu）封装在介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）中形成Cu@MSNs双层支架，该支架具有支持骨向内生长和抑制细菌感染的双重优势。
神经修复
周围神经损伤因其复杂的生理结构和不可控的病理生理过程而难以治疗。神经组织由高度定向且密集排列的细胞纤维束组成。许旺细胞（Schwann Cells, SCs）沿轴突串状排列并包裹它们，由于其独特的分布而有利于神经冲动的快速传导。
通过MEW制造具有细胞尺度间距（5-20微米）的微纤维支架，可以显著提高细胞迁移速度和神经突生长长度（增加40%）。这种优化的微米级纤维排列通过提供仿生ECM拓扑线索、减少细胞运动的机械阻力并同时引导神经突的定向延伸，为神经组织工程支架的设计提供了新策略。由于神经细胞是可兴奋的，其功能受外部电刺激影响显著。在PCL纤维支架上涂覆导电金纳米层可显著增强支架的导电性，导电支架显示出促进ECM形成和刺激神经突生长的潜力。此外，由神经营养性ECM和PPy涂层的PCL支架组成的混合支架可以引导轴突跨越损伤病灶再生。MEW不仅为制造支持电活性神经细胞存活和功能行为的仿生支架提供了一个多功能平台，也为研究体外神经网络行为和神经修复机制提供了新的机会。
挑战与未来展望
MEW技术在组织工程支架的制备中显示出巨大潜力，但在各个应用领域仍面临特定挑战。在心脏组织工程中，未来研究需致力于开发能够适应心脏复杂协同变形的支架，整合导电和生物活性材料，并探索与细胞负载水凝胶的结合。在骨再生领域，重点应放在模拟骨的分级和各向异性结构、结合血管化以及研究nHA形成机制上，压电材料的结合是一个有前景的方向。软骨修复需要更精细地模拟天然软骨的曲面结构，并开发具有更佳粘弹性的材料和进行更贴近人体生理条件的大动物实验。血管支架需复制天然血管的层状、定向和多细胞结构，优化再内皮化，并模拟脉动流机械刺激。韧带和肌腱工程需构建层次化纤维结构以复制复杂的韧带-骨界面，并结合MEW和静电纺丝技术，探索4D打印与刺激响应材料的结合。牙周再生需重点关注韧带-骨界面的构建，整合抗菌材料以应对手术感染，并利用大型动物模型进行评估。神经修复则需构建更接近天然神经结构的中空3D神经导管，优化神经界面设计以提升信号传输效率，并融合人工智能等跨学科技术推动创新。最终，MEW技术的进步将依赖于材料科学、生物制造技术和系统生物学的融合，通过跨学科合作，将其从精密制造工具发展为下一代再生疗法的战略推动者。
