结合3D打印和静电纺丝来制造仿生心脏瓣膜传单

由定向纤维组成的三层结构可以在人体内随处可见。应用这种方法，不仅可以创建模仿自然条件的心脏瓣膜传单，还可以创建各种其他组织。这是3D打印的导电材料收集器首次用于静电纺丝，这一事实使这一过程具有高度的灵活性和成本效益。

首先，通过将STL文件标本装载A和样品装载B上传到切片软件中来开始3D打印。旋转模型，使三角形曲面放置在构建板上。标记所有零件，单击鼠标右键，然后选择相乘所选模型。

在提示的份数中输入一个，然后单击确定。将切片厚度设置为 0.1 毫米，壁厚设置为 1 毫米，填充密度设置为 40%，然后取消选中生成支撑框。单击切片按钮，然后选择“保存到可移动”以将打印文件保存到 USB 驱动器。保留设置，并在切片软件中将STL文件替换为收集器法兰和传单模板。

在开始打印之前，使用复制工具创建法兰的一个副本和模板的八个副本。打印完成后，从构建板中取出模型。用线切割机小心地去除小叶底部的单个灯丝纤维，如果这些纤维存在于小叶模型中。

要制备旋转溶液，请在排气罩下放置一个秤。在其上放置一个200毫升的螺旋盖玻璃瓶，然后去皮。将50毫升二甲基甲酰胺和50毫升四氢呋喃倒入玻璃瓶中。

注意溶剂的重量。在瓶子内放置一个磁棒。将瓶子放在磁力搅拌器上并打开。

将相应量的聚氨酯缓慢转移到含有溶剂混合物的玻璃瓶中，同时在室温下搅拌，得到均匀的溶液。然后，合上盖子。将3D打印零件与金属条组装在一起以创建收集器，并确保所有模板的方向正确。

将组装好的集热器置于静电纺丝设置中，并将法兰紧紧地固定在电机轴上。使用鳄鱼夹，将连接到阴极的电缆连接到14号针，并检查夹子和针之间的连接。使用鳄鱼夹和第二根高压电缆将收集器连接到阳极。

使用滑环或剥离电缆在收集器的法兰处形成接触。通过用20毫升纺丝溶液填充鲁尔锁定注射器来制备它。将注射器连接到耐溶剂管，并手动将溶液推入管路系统中，直到针尖处可见液滴。

将注射器放入注射器泵中。打开泵后，将直径设置为19.129毫米，体积设置为5毫升，速度设置为每小时3毫升。要测试运行电机，请单击连接按钮连接到电机控件。

连接后，选择剖面速度操作模式，然后单击位于屏幕左上角的操作选项卡。选择由红线框住的快速停止按钮下方的轮廓速度选项卡。然后将目标速度设置为200 RPM，轮廓加速度为100，轮廓减速为200，快速停止为5，000。

开始测试运行并检查收集器是否存在任何不平衡。通过单击启用按钮上的开关停止电机，并将目标速度更改为 2， 000 RPM。要在电机控制软件中制造层，请单击启用操作按钮打开电机。

打开高压电源，调整阳极和阴极的电压，负极为18千伏，正极为1.5千伏。以每小时三毫升的流速启动注射泵。观察针尖形成泰勒锥体，并根据针尖处锥体的形状，以100伏的增量调整阴极的电压，直到建立稳定的泰勒锥体。

通过关闭电源装置，注射泵和电机来停止纺纱过程。然后在电机控制软件中将目标速度更改为10 RPM，并如前所述重复层制造过程20分钟。添加第二层后，小心地打开将收集器法兰连接到电机轴线的螺钉，并从静电纺丝装置中取出小叶收集器。

使用手术刀，沿着每个传单模板的外轮廓切割电纺纤维。卸下收集器一侧的法兰。然后拉出3D打印的插入物，并将传单模板与非导电三角形支架分开。

将所有传单模板旋转 90 度，然后重新组合收集器。将收集器插入静电纺丝装置并紧紧固定。同样，在电机控制软件中将目标速度更改回2， 000 RPM，并如前所述启动层制造过程20分钟以添加第三层光纤。

从静电纺丝装置中取出收集器后，在加热柜中以40摄氏度干燥样品。样品完全干燥后，用手术刀沿着传单模板的边缘小心地切割，以除去多余的纤维。之后，小心地剥离模板的小叶支架并将其放在托盘上以备将来使用。

三层小叶支架模仿人类天然心脏瓣膜的胶原构型，每层由直径约为4.1微米的纤维组成。扫描电子显微镜成像显示，在圆周方向上具有光滑表面和严格取向的对齐纤维，而未对齐的纤维表现出无序取向和纤维之间许多突出的交叉点。荧光成像显示，底层由水平方向的对齐纤维组成，纤维之间的交点很小。

中间层显示没有初级纤维取向的未对齐纤维，而顶层显示垂直取向的对齐纤维。厚度测量显示厚度线性增加约每分钟2.65微米。60分钟后，观察到厚度每分钟增加约2.52微米。

对齐纤维支架的拉伸试验沿圆周和垂直方向的强度约为每毫米平方12和3牛顿。然而，未对齐的纤维支架在不同方向下拉伸强度没有差异。对齐的纤维支架在圆周和垂直方向上显示出大约187%和107%的延伸性，而未对齐的纤维在两个方向上显示出均匀的延展性。

应力应变曲线表明，未对准纤维毡表现出线性弹性行为，而对准纤维在轴向方向上表现出非线性。创建的传单可用于生物和生物力学评估。当其中三个组装成功能性主动脉瓣时，可以进行广泛的体外实验。

该协议将使其他研究人员不仅能够制造多层纤维支架，还可以定向纤维。因此，它们将能够模仿许多不同类型的组织。