现有的3D打印支架通常具有数百微米的厚特征尺寸，这对于大多数细胞(10-20μm)来说太大了，无法附着和增殖以促进组织再生。西安交通大学的研究人员开发了一种新型混合制造技术，用于制造具有3D打印宏观框架和对齐纳米纤维结构的复合支架，以改善细胞组织。
由制造系统工程国家重点实验室的研究人员领导的团队发表在《国际极限制造杂志》上，他们结合了3D打印、静电纺丝、单向冷冻铸造和冻干技术，将ECM仿生纤维结构嵌入到先前的3D模型中-印刷脚手架。
与3D打印支架相比，所开发的具有分层结构的复合支架能够提高种子细胞的接种效率、增殖率和形态发生，并引导细胞定向向内生长。这些发现可能会对具有分层结构的复合支架的开发产生广泛影响，这些支架有可能在未来实现组织的有序空间再生和重塑。
首席研究员之一何建康教授评论说：“3D打印技术的出现使多孔支架的快速和定制制造成为可能，这些支架具有设计师的结构和机械性能，在各种组织修复应用和未来临床应用中展现出巨大潜力。
然而，当前3D打印支架的挑战之一是相对较大的特征尺寸，这限制了细胞附着和生长以形成致密的细胞结构以促进组织重建。鉴于3D打印在医学和科学领域的广泛重要性，增强3D打印支架的能力以满足促进组织再生的迫切需求是非常重要的。
一个有前途的方向是在宏观3D打印支架中加入额外的微/纳米架构，作为细胞定植、组织和成熟的ECM替代品。
“目前，由于现有结构的屏蔽效应，很少有技术可用于在现有多孔支架中引入胶原蛋白样微/纳米纤维，”第一作者ZijieMeng博士说。
“在我们的工作中，我们展示了通过将灌注的短纳米纤维悬浮液冷冻铸造成固体，然后通过冷冻干燥去除冰，可以将ECM模拟纤维结构纳入3D打印支架。具有对齐方向的纳米纤维结构可以在单向温度梯度的引导下获得，这可能有助于促进周围细胞的浸润和迁移。通过改变冷冻温度，纳米纤维结构的中值孔面积可以进一步控制在ca400μm2至4000μm2”
这种新颖的组合使他们能够在机械坚固的3D打印支架中产生额外的拓扑线索。通过在体外将细胞接种在具有对齐的纳米纤维结构的复合支架上，研究人员能够了解对齐的纳米纤维结构的孔径大小对细胞附着、增殖和定向浸润的影响。
与具有大孔径和粗细丝的纯3D打印支架相比，发现纳米纤维结构的存在可显着提高细胞接种效率、增殖率和定向细胞迁移。
空军医科大学的共同第一作者XingdouMu女士补充说：“复合支架可以提供体积稳定的环境，实现组织再生的定向细胞浸润，并支持ADSCs在体外的成脂成熟。特别是3D打印的框架提供了复合支架的大部分机械支撑能力，而细胞反应被发现直接受到嵌入式纳米纤维结构的影响。”
“此外，当植入大鼠皮下模型时，具有对齐纳米纤维结构的复合支架可以引导定向组织浸润并有效促进附近的新生血管形成，这可能有助于再生组织的长期存活。”
该团队研究了一种混合制造策略，该策略有望用于生产具有分层结构的复合支架，他们开发的实验技术可用于许多不同的应用。
共同通讯作者张朱良教授说：“宿主组织能够沿着对齐的纳米纤维结构方向逐渐渗透到复合支架中，3D打印的PCL框架有助于再生组织的形状保持。在未来，通过改变纳米纤维微孔的局部方向来安排细胞组织的可行性需要进一步和深入的研究，这可能潜在地用于更复杂和对齐的组织再生，如肌腱、韧带、神经和心肌。”