都灵理工大学（Politecnico di Torino）与马斯特里赫特大学（Maastricht University）的研究人员开发了一种仿生支架设计方法，采用定制的Voronoi路径生成器用于挤出式3D打印。这项发表在《生物材料科学》（Biomaterials Science）期刊上的研究，介绍了一款基于Python的软件工具，能够通过熔融电纺直写（MEW）和熔融沉积成型（FDM）技术制造不规则、仿生结构。其目标是构建更具生理相关性的体外肺组织模型。
该系统能够为复杂Voronoi几何结构生成连续工具路径，而这类结构难以使用标准切片软件来制造。这些几何结构被用于制造可复制肺泡组织结构的支架。打印出的支架与静电纺丝纳米纤维膜相结合，形成一种旨在模拟肺泡-毛细血管屏障的多尺度复合结构。
基于Voronoi的支架设计（左）以及通过熔融沉积成型（FDM）和微电子湿法（MEW）打印出的结构。图片来源：Farina
不规则仿生结构的定制工具路径生成
该研究强调，传统切片软件是针对规则或参数化几何体进行优化的，无法为Voronoi图案这类非重复性结构生成连续挤出路径。为解决这一局限，团队开发了一款名为Voronoi路径生成器（PyVoroGen）的定制化Python软件工具，能够将Voronoi布局转化为针对挤出式增材制造优化的G代码。该软件允许用户通过图形用户界面定义参数，如种子点数、图案直径和纤维厚度。它利用图论算法生成连续工具路径，确保与需要不间断挤出的MEW工艺兼容。对于FDM工艺，则实施了额外的处理步骤以避免材料重叠：当打印头需要经过已沉积材料的区域时，会抬升喷头以防止碰撞。除生成工具路径外，该软件还提供支架性能预测分析，包括孔隙率和孔隙面积，在设计参数与预期打印结果之间建立了直接联系。
从Voronoi几何图形生成连续刀具路径的工作流程，包括种子分布、图形转换和路径优化。图片来源：Farina
使用MEW和FDM工艺的制造
基于Voronoi的支架分别使用熔融电纺直写和熔融沉积成型技术进行制造。共聚焦成像证实了所设计几何形状的精确再现，证明了使用挤出式3D打印制造非重复性仿生结构的可行性。两种制造方法之间存在差异。MEW能够生产更细的纤维，平均直径约为92微米；而FDM生产的纤维较粗，在节点定义方面具有更高的几何保真度，尽管偶尔会出现连接缺陷导致相邻单元合并。相比之下，MEW结构由于方向快速变化，在较短的线段上保真度有所降低。孔隙率测量结果与软件预测值高度吻合，FDM支架的归一化实测值与理论值偏差约为2.2%，MEW支架约为1.7%。
混合支架设计整合静电纺丝技术
制造完成后，3D打印的Voronoi骨架与由聚己内酯（PCL）和明胶组成的静电纺丝膜相结合。这层平均厚度约为3微米的薄膜直接沉积在打印结构上，形成复合支架。扫描电子显微镜显示，纳米纤维层贴合了底层的Voronoi结构，部分桥接了孔隙，形成了一种将微米级打印纤维与纳米级电纺纤维整合为一体的三维膜结构。
扫描电子显微镜（SEM）图像显示电纺纳米纤维与3D打印的Voronoi支架实现了整合。图片来源：Farina
体外共培养展示分区屏障形成
为了评估生物学性能，研究人员将A549人肺泡上皮细胞和HUVEC人脐静脉内皮细胞分别在膜的两侧进行培养。这些构建物在气液界面条件下维持培养，总培养周期为十天。结果显示，细胞在两侧均成功粘附和增殖，上皮细胞在顶端形成连续层，内皮细胞在基底侧定殖。免疫荧光成像证实形成了类似肺泡-毛细血管屏障的分区细胞结构。这层薄薄的静电纺丝膜能够同时观察两侧的细胞层，并支持整个支架上的细胞相互作用。Voronoi结构还影响了空间组织，打印的微纤维会改变细胞形态。
迈向更具仿生性的体外组织模型
该研究表明，该平台能够制造出比传统支架几何结构更复杂的支架。通过结合定制化计算设计、挤出式3D打印和静电纺丝技术，该方法为生产更具生理相关性的体外模型提供了一种途径。虽然目前的支架尚未达到天然肺泡结构的尺度，但该研究展示了一个将仿生几何形状整合到组织工程增材制造流程中的框架。
免疫荧光和明场图像显示，上皮细胞和内皮细胞在Voronoi支架的相对两侧生长，形成了一个分隔的屏障结构。图片来源：Farina
组织工程中追求更逼真的支架架构
为改善生物医学应用中的3D打印支架，研究人员越来越关注复制天然组织结构。例如，新南威尔士大学堪培拉分校（UNSW Canberra）的研究人员开发了旨在更紧密匹配天然骨结构的3D打印骨支架，以期改善组织再生效果。同样，最近关于脊髓修复的研究表明，支架结构在支持功能恢复方面起着关键作用，3D打印构建物能够引导细胞生长和组织整合。
虽然这些方法都强调了几何结构在决定生物学性能方面的重要性，但大多数方法依赖于相对规则或可控的结构，以保持与现有制造流程的兼容性。将更不规则、更异质的设计转化为可打印结构仍然是一个挑战。本研究提出的方法通过为非重复性几何结构生成连续工具路径来应对这一局限，从而支持制造更能反映天然组织结构的支架架构。
这项题为“基于定制Voronoi路径生成器的挤出式3D打印仿生支架设计”的研究由Federico Farina、Michela Licciardello、Lorenzo Moroni、Joanna Babilotte、Gianluca Ciardelli和Chiara Tonda-Turo共同完成。
中国3D打印网编译文章！
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