用于細(xì)胞遷移和生長的懸掛熔融近場直寫纖維陣列

來源：EngineeringForLife  

懸掛纖維常會(huì)由于各種參數(shù)設(shè)置不當(dāng)而隨機(jī)出現(xiàn)于近場直寫與傳統(tǒng)靜電紡絲的3D結(jié)構(gòu)中，并常常被視為良好支架的缺陷。但懸掛纖維結(jié)構(gòu)同時(shí)也是一種有趣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，若能被可控化制造，則有可能用于創(chuàng)傷后高度組織性、各向異性結(jié)構(gòu)的重建。為此，University of Würzburg的Paul D. Dalton團(tuán)隊(duì)聯(lián)合RWTH Aachen University Hospital的Gary A. Brook團(tuán)隊(duì)研究了懸掛纖維的制造機(jī)理與工藝，并利用制造的懸掛纖維陣列對(duì)早期出生后小鼠背根神經(jīng)節(jié)(DRG)外植體的細(xì)胞遷移和神經(jīng)突觸生長的影響進(jìn)行了初步研究。相關(guān)研究論文：Design of Suspended Melt Electrowritten Fiber Arrays for Schwann Cell Migration and Neurite Outgrowth發(fā)表于Macromolecular Bioscience雜志上。

研究人員設(shè)計(jì)了間距逐漸變化的楔形支撐結(jié)構(gòu)來測試?yán)w維的懸掛能力，圖1。從初步的研究結(jié)果看，打印溫度對(duì)纖維懸掛成功率的影響很大，低溫可以改善纖維懸掛的成功率以及懸掛距離。

圖1 熔融電直寫懸掛纖維示意圖與纖維懸掛狀態(tài)

進(jìn)一步研究其他打印參數(shù)的作用，如圖2。打印速度對(duì)纖維的懸掛能力有重要影響，打印速度越快，纖維懸浮跨越更大跨度間隙的概率越大。如之前的報(bào)道，更快的打印速度導(dǎo)致更長的拖尾效應(yīng)，同時(shí)纖維可以更快地冷卻，從而產(chǎn)生更穩(wěn)定的懸掛纖維。增加集電極間距由于減少了靜電力以及延長了冷卻距離，也可以改善懸掛狀態(tài)。降低電壓也可以達(dá)到類似的效果。環(huán)境溫度也有較大影響，較低的溫度可以改善懸掛，而小范圍的濕度差異則沒有顯著影響。此外，由于懸掛纖維可能發(fā)生松弛，需要加上附加的纖維錨定壁，從而實(shí)現(xiàn)良好懸掛纖維陣列的制造。

圖2 各種纖維在不同打印條件下產(chǎn)生懸掛的定量分析結(jié)果

根據(jù)先前測試獲得對(duì)纖維懸掛狀態(tài)的影響參數(shù)，可以進(jìn)行更復(fù)雜的設(shè)計(jì)。為了得到一個(gè)真正的三維定向纖維結(jié)構(gòu)，可以利用壁內(nèi)纖維的數(shù)量來控制纖維懸掛的高度，如圖3。懸掛纖維與附加層“嵌入”在纖維壁中，也可以構(gòu)建一定角度的交叉結(jié)構(gòu)。值得注意的是，在纖維沉積精度上，對(duì)纖維在X-Y平面位置的控制最為不準(zhǔn)確，在懸掛的纖維/壁交點(diǎn)處有輕微偏移。此外，纖維交點(diǎn)也有輕微的X-Y平面偏移。這種差異可能是由靜電相互作用或從打印方向拐點(diǎn)的非理想位置引起的誤差。

圖3 近場直寫的各類具有懸掛纖維結(jié)構(gòu)的支架

由于柔軟的纖維壁結(jié)構(gòu)在后續(xù)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中容易變形而導(dǎo)致纖維懸掛混亂（圖3I），研究人員在整體結(jié)構(gòu)外還增加了同樣工藝打印的環(huán)來進(jìn)行加固（圖4A）。當(dāng)DRG被種植于支架上后，立即顯示出球形外觀，并在21天后可以觀察到雪旺細(xì)胞沿懸掛纖維與纖維壁遷移，且沿懸掛纖維顯示出紡錘形態(tài)。

DRG來源的神經(jīng)突也顯示出類似雪旺細(xì)胞的遷移模式，與懸浮纖維緊密相連的神經(jīng)突顯示出簡單的生長錐狀尖端，神經(jīng)突延伸的模式似乎很容易在相鄰纖維之間架起橋梁，如圖4。

圖4 懸掛纖維陣列與其上的細(xì)胞形態(tài)

本研究探索了熔融近場直寫工藝制造懸掛纖維陣列的打印工藝。纖維陣列支架能夠承受反復(fù)的培養(yǎng)基和液體變化，以進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，以及隨后的過氧化物酶免疫-化學(xué)處理，并能觀察到DRG接種于支架后的雪旺細(xì)胞遷移和神經(jīng)突的生長，可用于創(chuàng)傷后高度組織性、各向異性結(jié)構(gòu)的重建。

參考文獻(xiàn)

Andrei Hrynevich, Pascal Achenbach, Tomasz Jungst, Gary A. Brook, Paul D. Dalton. Design of Suspended Melt Electrowritten Fiber Arrays for Schwann Cell Migration and Neurite Outgrowth. Macromolecular Bioscience.
https://doi.org/10.1002/mabi.202000439