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基于离心纺的聚焦旋转喷射纺丝法(FRJS)重建心脏螺旋结构支架
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基于离心纺的聚焦旋转喷射纺丝法(FRJS)重建心脏螺旋结构支架

  • 来源:原创
  • 浏览次数:
  • 日期:2022-07-18 09:54

【概要描述】

基于离心纺的聚焦旋转喷射纺丝法(FRJS)重建心脏螺旋结构支架

【概要描述】

  • 分类:学术动态
  • 作者:轻子纳米科技
  • 来源:原创
  • 发布时间:2022-07-18 09:54
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导语:心脏肌肉组织内的螺旋排列对实现生理泵送效率非常重要。然而,测试这种可能性是困难的,因为使用当前的技术再现心脏肌肉组织的精细空间特征和复杂结构是具有挑战性的。近期发表于《science》上一篇论文研究了聚焦旋转喷射纺丝(FRJS),这是一种添加制造方法,能够快速制造具有可编程三维几何排列的微米和纳米纤维支架。

 

为了研究螺旋肌排列对心脏功能的作用,以往的研究利用了受控排列和三维(3D)几何形状重建心脏的多尺度结构。3D挤压打印已经被证明过在重建这些复杂结构中的意义。而纤维纺丝技术以更高的处理量复制这些精细的空间特征,所以学者们提供了一种潜在的解决方案,并且已经用于工程组织支架,例如心脏瓣膜和心室模型。然而这种方法通常无法保持可控排列的同时控制3D几何形状。

 

因此作者开发了聚焦旋转喷射纺丝(FRJS),这是一种添加制造方法,离心喷射纺丝快速形成聚合物微米级和纳米级纤维,然后通过受控气流进行聚焦和空间图案化。这种方法允许快速制造3D可编程纤维排列的纤维结构。由于纤维可用于指导组织形成,因此可以重建复杂的解剖结构。

 

图一  用于生产螺旋结构的聚焦旋转喷射纺丝。(A)人类心脏螺旋排列示意图(B和C) FRJS使用集中的空气将纤维制造分成成形(B,I)和图案化(C)阶段,允许在沉积过程中控制对准(B,ii)纤维流的不同对比度投影(最大投影;比例尺,5厘米)(D)纺到心轴上的聚己内酯的图像(比例尺,5 mm ),具有相应的扫描电子显微镜(SEM)图像,显示对齐的微米和纳米纤维形成(平均纤维直径,~900纳米;比例尺,5毫米)(E)显示收集角(q)决定纤维沉积排列(I)的示意图,OOP表示相对平均排列(误差条,平均值SD) (ii)SEM显微照片(iii至v;0°、60°和90°),插入相应的2D傅立叶变换,表示对齐的程度是基于收集角度(比例小节,5毫米)(F)显示基于角度(I)的h a纤维制造的示意图,a,具有代表性的纤维涂覆棒(ii)和HA支架的重建显微计算机断层摄影(iii比例尺,200毫米)

 

以这种方式聚焦纤维使它们能够保形沉积,纤维将很好地粘附到曲率半径超过焦斑尺寸的凸形结构或特征上。这种方法可以用于各种材料成分,例如尼龙、聚氨酯和明胶,同时保持单微米的纤维直径。

 

鉴于微米和纳米纤维可以模拟ECM蛋白的结构特征,作者研究了FRJS如何用于控制纤维排列的各向异性分布。这种控制纤维取向的能力表明,通过相对于气流移动靶可以实现更复杂的图案化。为了测试FRJS是否能够再现心脏的关键几何特征,例如在啮齿类动物模型中识别的螺旋排列和层状组织结构,纤维被收集在倾斜的旋转圆柱体上以产生螺旋排列(图1F),并被收集在递增旋转的圆盘上以产生多层纤维片。这些数据表明,FRJS可用于形成3D可收缩心脏模型。

图二  组织支架受控螺旋排列。(A)HA心室模型的明视野显微照片(用NRVMs接种的明胶纤维;比例尺,2 mm)(B) SEM显微照片来自CA [(i),a = 0 ]和HA [(iii),a = 45 ]圆柱体的纤维,具有相应的心肌细胞免疫荧光染色(二和四)[NRVM;蓝色,DAPI(4′,6-二脒基-2-苯基吲哚);绿色,f-肌动蛋白;红色,肉节],显示纤维有助于引导组织对齐(比例尺,50毫米)维生素Circ,圆周的(C)具有相应静止帧(底部)的等时线(顶部),表明沿着延伸的心室表面的钙瞬变,显示HA支架增加的横波传播。组织点刺激顶点[(i),CA;(二),公顷](比例尺,5毫米)。(D)CA的示意图(左)和HA(右)心室,说明收缩期间室壁位移的差异。CA收缩成同心环,而HA遵循扭转运动,导致不同的预测EFs [k,应变,q,顶端缩短,H(a),径向缩短](E)收缩期间由CA(左)和HA(右)心室模型产生的变形图(比例尺,2 mm)

 

为了证明FRJS能够实现分级生物制造的能力,构建了人类心脏肌肉组织的全尺寸模型。这个模型是由独立零件组装而成的。将微米和纳米纤维镀在可溶解的心脏四个腔室形状的收集器。通过我们基于微米和纳米纤维的方法,这些局部结构可以保留在整个组织体积中,从而允许组织的分级组装。这些关键特征标志着基于纤维的制造是实现整个器官生物制造的一种有前途的方法,可以用来替代或结合新兴的生物制造平台,如3D挤压打印。总的来说,这些观察表明,FRJS能够快速制造跨越多种长度尺度的纤维支架,并且能够适应不同的几何形状。

 

除了生物制造,FRJS还可以在其他添加制造应用中发挥重要作用,因为它提供了与当前工业过程相当的生产率,同时实现了微米和纳米尺度的特征尺寸和受控的3D排列。微米和纳米纤维的高表面积-体积比使其成为化学物质可控吸收和释放的理想候选材料。这表明FRJS可能是工业制造过程中的一项重要技术,这些工业制造过程采用分级设计原理,需要控制几个数量级的空间量级。

 
DOI: 10.1126/science.abl6395
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