哈佛大學《Science》：聚焦旋轉噴射紡紗（FRJS）技術制備人工心臟

心臟，是人類最重要的器官之一。科學家們推測心臟的螺旋結構和復雜的肌肉組織能夠實現更大的射血分數，更有效地將血液泵入全身。然而，想要在人造心臟中重現如此復雜的細節非常困難，甚至于僅僅是研究心臟螺旋結構的功能特性都十分困難。

3D打印雖然可以制備人造器官和組織，但是，在保持實際生產效率的同時，重現特定組織（如心臟）的精細空間特征非常困難。比如，以膠原蛋白（心臟細胞外基質蛋白的一種）為例，其直徑約為1μm，使用 3D 打印以此分辨率從頭建立一顆心臟，需要100多年時間。

另外，靜電紡紗技術可以以更高的吞吐量再現這些精細的空間特征，提供了一個潛在的解決方案，被用于制造組織支架，如心臟瓣膜和心室模型。作者提到，靜電紡紗通常無法在保持受控取向的同時重建復雜的 3D 幾何形狀。

因此，想要利用目前的技術來重現特定組織（如心臟）的精細空間特征和復雜結構，是一個巨大的挑戰。

聚焦旋轉噴射紡紗技術制造纖維

鑒于此，哈佛大學Kevin Kit Parker 教授團隊常會賓博士開發了聚焦旋轉噴射紡紗（FRJS）技術制備人工心臟。該工藝是一種利用離心紡絲快速成形纖維的增材制造方法，纖維隨后在可控氣流中聚焦、對齊并沉積到目標位置。通過使用氣流，這種方法可以高通量地同時操作數千根微/納米纖維；通過特殊設計的氣流，FRJS 可以制造出復雜的 3D 纖維結構。而 FRJS 不但具有 3D 打印和纖維紡紗的優點，還克服了它們各自的缺點，在實現復雜的 3D 纖維結構，還保證了生產量。相關研究成果以“Recreating the heart’s helical structure-function relationship with focused rotary jet spinning”為題目發表于期刊《 Science》上。

 圖1 用于生產螺旋結構微/納米纖維支架的聚焦旋轉噴射紡紗技術（FRJS）。

聚合物溶液：以聚己內酯(PCL，平均Mn= 80000)為主要聚合物，六氟異丙醇(HFIP)為主要溶劑。聚己內酯溶解在HFIP中，在室溫下的磁鐵攪拌平臺上過夜。

聚合物纖維的制備方法：纖維紡絲時，噴絲頭的轉速設定為10,000轉/分鐘（RPM），鼓風機的壓力輸入為0.2MPa。所有纖維沉積在收集器前，收集器都經過 Teflon 噴涂處理。噴絲頭上的三個孔中有兩個用于紡絲。聚合物溶液以 0.4mL/min 的速度送入噴絲頭。

纖維排列的受控分布

設想微/納米纖維可以模擬ECM蛋白的結構特征，作者研究了如何使用FRJS來控制纖維排列的各向異性分布。假設，纖維在氣流中的排列可以實現受控沉積，其中切向收集(q =0°)應盡量減少對氣流的干擾，而迎面沉積(q = 90°)將實現發散圖案。為了驗證這一假設，在沉積過程中調制了與纖維流相關的收集器角度(圖1E)，取向順序參數(OOP)用作后續纖維組織的度量。這種控制纖維方向的能力表明，這種方法可以實現更復雜的圖案。

圖S1：聚焦旋轉射流旋轉平臺設計。

圖2 可控螺旋排列的組織支架。

圖3 排列決定心室射血分數。

然后，作者將纖維紡到不同大小的心室形狀的靶上，直徑從1厘米到20厘米不等。在每種情況下，靶材在<35分鐘內被微/納米纖維包裹，在表面生成保形涂層。在整個過程中，纖維的總生產速率為0.1 g/min，或0.03 ghm(每孔每分鐘克數)。這一產量可與熔噴工藝相媲美，但比 3D 擠出打印高幾個數量級（~106），3D 擠出打印的速度在單微米特征處迅速下降（作為冪律，具有比例因子 約 2.8）。因此，FRJS可用于跨越多個長度尺度的快速制造纖維支架，并可適應不同的幾何形狀。

完成紡制的螺旋心臟支架接種心肌細胞或干細胞來源的心肌細胞，大約一周時間內，心肌細胞就能覆蓋整個心臟支架表面，這些細胞隨著心臟支架的纖維排列，而且能夠復現人類心臟的跳動方式——擰動。

圖4 多尺度心臟模型。

除了生物制造，FRJS可能在其他增材制造應用中發揮重要作用，因為它的生產速度與當前的工業工藝相當，同時還可實現微/納米尺度的特征尺寸和可控的3D取向。因此，本研究開發的聚焦旋轉噴射紡紗（FRJS）技術在微/納米纖維方面具有潛在的應用前景。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl6395