研究:制造适合人类的人造心脏——聚焦旋转射流纺丝，而不是3D

多年来，科学家们推测，心脏的螺旋结构和复杂的肌肉组织可以更有效地将血液泵到全身。尽管在人造心脏中很难重现如此复杂的细节，但研究这一现象被证明是困难的。

然而，一项新的研究发表在科学在美国，来自多个机构的一组研究人员聚集在一起，利用一种新的、更先进的方法来制造人工组织和器官。该团队包括匹兹堡大学斯旺森工程学院的助理教授刘启涵。

“制造模仿生物组织的材料是一个巨大的制造挑战，”刘说。“生物组织由各种复杂的空间变化排列的微/纳米纤维组成。的安排这些纤维是大自然如何编程丰富的机械行为生物组织．然而，目前还没有一种制造工具可以捕获这种复杂的排列。虽然常见的3D打印方法可以轻松实现复杂的纤维排列，但3D打印无法以与组织工程相关的吞吐量打印纳米纤维。虽然现有的纳米纤维纺丝技术，如静电纺丝，可以大批量生产纳米纤维，但复杂的纤维排列尚未实现。”

因此，研究人员提出了聚焦旋转射流纺丝工艺。FRJS是一种增材制造方法，使用离心纺丝快速形成纤维。随后，纤维被聚焦、对齐，并通过控制气流沉积到目标位置。通过使用气流，该方法可以同时操作数千根微/纳米纤维，确保了高通量。通过特殊设计的气流，FRJS可以制造出比现有方法复杂得多的3D纤维结构。

研究人员将他们的方法与另外两种生产人造器官和组织的方法进行了比较:3D打印和纤维纺丝。尽管3D打印技术继续为人造器官的发展做出重大贡献组织，研究人员反驳说，3D打印需要太长时间才能实现FRJS所能提供的细节和复杂性。

另一种目前使用的方法是纤维纺丝，它可以更快地生产，但不像FRJS那样复杂。因此，研究人员将FRJS作为一种以更及时的方式进行更复杂创作的方法。

为了展示FRJS在这种情况下的可能性，研究人员使用该过程创建了样本，包括一个全尺寸纤维人类心脏模型，以展示制造复杂3D结构的能力，一个三层双室心室模型，以展示捕捉生物组织中复杂纤维排列的能力，以及一个大鼠、猫、人类和12000磅的小须鲸大小的单层心室，以显示制造过程的可扩展性。研究人员还展示了FRJS创建的这些模型如何用于理解心脏内螺旋细胞排列的功能。

然而，这些示例只是FRJS可以做的事情的一个展示。

刘说:“这篇论文只是对这种方法可以做什么的一次演示。”“天空就是极限。”

刘说，在未来，FRJS可以用于重建血管软骨和其他纤维增强组织。这将为在机器人、工程等领域模仿生物组织提供无数可能性。用FRJS制成的纤维增强复合材料甚至可以用更轻的纤维增强材料来制造汽车和飞机，这些材料使用优化的纤维排列来更好地处理负载。

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