《Biomaterials Advances》：High-resolution dual-scale scaffolds
via stable-jet dual-spinneret melt electrowriting
编辑推荐：
本研究开发了一种双喷嘴熔融电纺（MEW）系统，可实现连续稳定生产不同直径的纤维。通过整合机械支撑的厚纤维（约67μm）与高分辨率的薄纤维（约9μm），构建了多尺度支架。该支架在提高力学性能（承载能力达7.25N）的同时，通过精确纤维结构引导细胞定向排列，解决了传统电纺纤维强度不足的问题，扩展了组织工程应用中的微架构设计空间。
任一怡|张新宇|李婷|李涛|夏宇欣|叶思伟|卢世宇|杜磊|金婷婷
浙江科技大学时装设计与工程学院，中国杭州，310018
摘要
在组织工程中，支架的设计旨在促进细胞黏附、加速细胞增殖并引导组织形成。熔融电写（MEW）是一种先进的高分辨率增材制造技术，能够精确控制纤维直径和孔隙结构。然而，由超细纤维制成的支架往往机械强度不足，这限制了其实际应用。本研究开发了一种双喷头MEW系统，能够在连续且稳定的喷射条件下按需切换不同直径的纤维，从而利用医用级聚（ε-己内酯）（PCL）材料制备出分层双尺度支架。这种支架结合了具有机械支撑性的粗纤维（约67微米）和高分辨率的细纤维（约9微米），实现了承载能力与明确拓扑结构之间的协同效应。值得注意的是，这些增强机械性能的粗纤维直径远小于传统熔融沉积建模（FDM）所生成的纤维直径（约250微米），从而最大限度地减少了对细胞迁移的干扰。所制备的支架不仅结构稳定性得到提升，而且细胞在精确定义的纤维结构引导下实现了良好的排列。本研究建立了一种基于MEW的制造策略，可用于构建机械性能可靠、具有分层结构且几何精度高的支架，为组织工程应用中的微结构材料设计提供了新的可能性。
引言
组织工程支架为细胞活动提供了必要的结构支持和生物信号，在再生医学领域发挥着重要作用[1]。过去几十年中，电纺技术已被证明是一种有效的制备连续超细纤维的方法[2]，这些纤维能够紧密模拟细胞外基质（ECM），因此在组织工程支架（包括皮肤修复[3]、骨骼再生[4]、神经再生[5]等）中得到了广泛应用。
然而，尽管电纺支架具有诸多优势，但其固有的小孔径限制了细胞的有效渗透，进而影响了组织再生的支持能力[6],[7]。此外，随机分布的纤维方向也阻碍了细胞的有序排列，限制了组织的有序形成和功能恢复[8]。
熔融电写（MEW）技术的出现解决了这些问题。该技术通过将收集器放置在流体不稳定性出现之前，有效消除了传统电纺过程中的“鞭打”现象，实现了熔融纤维的精确逐层沉积，并在微观尺度上实现了对支架结构的无与伦比的控制[9]。利用这些优势，MEW不仅克服了传统电纺支架的局限性，还能制备出高度复杂的结构，以模拟天然组织的特定结构和微环境。
尽管高分辨率MEW支架能够支持细胞生长并引导细胞迁移，但其细长的纤维仍使这些结构容易发生变形和断裂[10]。尤其是聚（ε-己内酯）（PCL）作为常用的MEW聚合物，由于其低熔点、优异的热稳定性和良好的生物相容性而被视为黄金标准，但其较低的杨氏模量（约0.4 GPa）严重限制了PCL基MEW支架的机械性能和应用范围[11]。为了解决这一问题，何等人[12]和梅拉等人[13]提出了一种混合制造策略，将熔融沉积建模（FDM）与MEW结合，制备出兼具机械支撑性的粗纤维和高分辨率微纤维的双模态支架。在这种结构中，粗纤维作为承重框架，而细纤维则提供了促进细胞黏附的生物活性界面。然而，FDM打印的纤维直径远大于ECM的特性尺寸，可能对微环境产生不利影响并限制细胞迁移[14]。
达尔顿等人[15]表明，通过调整MEW参数（如施加的气压）可以拓宽纤维直径范围，从而在机械性能和生物性能之间取得平衡。但由于MEW的多参数特性，任何参数的变化都需要其他参数的相应调整，以防止“纤维脉动”[16]。更重要的是，参数调整需要足够的时间达到稳定状态，而喷射不稳定可能会影响支架的结构精度。另一种方法是调节打印速度来动态控制纤维直径。虽然提高打印速度可以产生更细的纤维[17]，但过度拉伸会降低沉积精度、破坏喷射稳定性，并限制纤维直径的可控范围和打印精度。总体而言，这些方法依赖于改变喷射稳定性或喷射-收集器沉积状态来调节纤维尺寸，这不可避免地会在打印分辨率和工艺稳定性之间产生权衡。
因此，受我们之前研究的启发[18]，双喷头系统有望成为制备高分辨率、双尺度支架的有效策略，以克服上述挑战。与传统单喷头系统不同，双喷头系统可以独立调节加工参数（包括喷嘴尺寸），同时确保两个喷头的喷射速度相同，从而扩大可用的纤维直径范围，并在保持喷射稳定的前提下实现实时切换纤维直径。利用这一平台，制备出了具有多层粗纤维框架和细纤维填充物的双尺度支架，不同层的纤维直径各不相同。系统地评估了这些支架的机械性能，并使用人骨髓间充质干细胞（hBMSCs）和人真皮成纤维细胞（HDFs）对其生物性能进行了测试。总体而言，本研究为构建分层双尺度支架提供了一种通用策略，并可轻松扩展到异质材料系统，为先进的组织工程应用开辟了新的可能性。
材料
使用的医用级聚（ε-己内酯）具有1.0–1.3 dL/g的固有粘度和约79,760 g/mol的数均分子量（M?）（Purasorb PC12，批次号7500098050，Corbion，荷兰），按照先前描述的程序进行储存[19]，在打印前无需进一步处理即可使用。
MEW双喷头打印机
所有支架的制备均使用了自主研发的双喷头MEW打印机。该定制系统的详细规格如下：
优化打印参数以获得所需的纤维直径
为了实现目标粗纤维和细纤维直径，系统地研究了施加压力作为主要控制参数。最小压力设定为50 kPa，因为低于此阈值时无法维持稳定的泰勒锥形结构。对于21 G喷嘴，超过200 kPa的压力会导致过高的聚合物流速，并超出定制系统的操作范围。因此，工作压力范围被设定为50–200 kPa。
结论
总结来说，通过在一个连续的MEW过程中实现纤维直径的稳定按需切换，成功制备出了分层双尺度支架，这些支架结合了具有机械支撑性的粗纤维（约67微米）和高分辨率的细纤维（约9微米）。粗纤维提供了有效的承重支持，使支架能够承受约7.25 N的破坏载荷，同时保持足够小的尺寸以减少对细胞迁移的阻碍。细纤维则形成了明确的
CRediT作者贡献声明
任一怡：撰写——原始稿件，实验研究。
张新宇：撰写——原始稿件，实验研究。
李婷：方法学设计。
李涛：指导监督。
夏宇欣：实验研究。
叶思伟：实验研究。
卢世宇：实验研究。
杜磊：撰写——审稿与编辑，方法学设计，资金筹集，概念构思。
金婷婷：撰写——审稿与编辑，资金筹集。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项工作得到了国家自然科学基金（编号52403054、82305040）、浙江省卫生健康科技计划（编号2024KY742、2024KY674）以及浙江大学学生科技创新活动计划（编号2025R406C086）的支持。
