心脏，是人类最重要的器官之一。科学家们推测心脏的螺旋结构和复杂的肌肉组织能够实现更大的射血分数，更有效地将血液泵入全身。然而，想要在人造心脏中重现如此复杂的细节非常困难，甚至于仅仅是研究心脏螺旋结构的功能特性都十分困难。
3D打印虽然可以制备人造器官和组织，但是，在保持实际生产效率的同时，重现特定组织（如心脏）的精细空间特征非常困难。比如，以胶原蛋白（心脏细胞外基质蛋白的一种）为例，其直径约为1μm，使用 3D 打印以此分辨率从头建立一颗心脏，需要100多年时间。
另外，静电纺纱技术可以以更高的吞吐量再现这些精细的空间特征，提供了一个潜在的解决方案，被用于制造组织支架，如心脏瓣膜和心室模型。作者提到，静电纺纱通常无法在保持受控取向的同时重建复杂的 3D 几何形状。
因此，想要利用目前的技术来重现特定组织（如心脏）的精细空间特征和复杂结构，是一个巨大的挑战。
聚焦旋转喷射纺纱技术制造纤维
鉴于此，哈佛大学Kevin Kit Parker 教授团队常会宾博士开发了聚焦旋转喷射纺纱（FRJS）技术制备人工心脏。该工艺是一种利用离心纺丝快速成形纤维的增材制造方法，纤维随后在可控气流中聚焦、对齐并沉积到目标位置。通过使用气流，这种方法可以高通量地同时操作数千根微/纳米纤维；通过特殊设计的气流，FRJS 可以制造出复杂的 3D 纤维结构。而 FRJS 不但具有 3D 打印和纤维纺纱的优点，还克服了它们各自的缺点，在实现复杂的 3D 纤维结构，还保证了生产量。相关研究成果以“Recreating the heart’s helical structure-function relationship with focused rotary jet spinning”为题目发表于期刊《 Science》上。
图1 用于生产螺旋结构微/纳米纤维支架的聚焦旋转喷射纺纱技术（FRJS）。
聚合物溶液：以聚己内酯(PCL，平均Mn= 80000)为主要聚合物，六氟异丙醇(HFIP)为主要溶剂。聚己内酯溶解在HFIP中，在室温下的磁铁搅拌平台上过夜。
聚合物纤维的制备方法：纤维纺丝时，喷丝头的转速设定为10,000转/分钟（RPM），鼓风机的压力输入为0.2MPa。所有纤维沉积在收集器前，收集器都经过 Teflon 喷涂处理。喷丝头上的三个孔中有两个用于纺丝。聚合物溶液以 0.4mL/min 的速度送入喷丝头。
纤维排列的受控分布
设想微/纳米纤维可以模拟ECM蛋白的结构特征，作者研究了如何使用FRJS来控制纤维排列的各向异性分布。假设，纤维在气流中的排列可以实现受控沉积，其中切向收集(q =0°)应尽量减少对气流的干扰，而迎面沉积(q = 90°)将实现发散图案。为了验证这一假设，在沉积过程中调制了与纤维流相关的收集器角度(图1E)，取向顺序参数(OOP)用作后续纤维组织的度量。这种控制纤维方向的能力表明，这种方法可以实现更复杂的图案。
图S1：聚焦旋转射流旋转平台设计。
图2 可控螺旋排列的组织支架。
图3 排列决定心室射血分数。
然后，作者将纤维纺到不同大小的心室形状的靶上，直径从1厘米到20厘米不等。在每种情况下，靶材在<35分钟内被微/纳米纤维包裹，在表面生成保形涂层。在整个过程中，纤维的总生产速率为0.1 g/min，或0.03 ghm(每孔每分钟克数)。这一产量可与熔喷工艺相媲美，但比 3D 挤出打印高几个数量级（~106），3D 挤出打印的速度在单微米特征处迅速下降（作为幂律，具有比例因子 约 2.8）。因此，FRJS可用于跨越多个长度尺度的快速制造纤维支架，并可适应不同的几何形状。
完成纺制的螺旋心脏支架接种心肌细胞或干细胞来源的心肌细胞，大约一周时间内，心肌细胞就能覆盖整个心脏支架表面，这些细胞随着心脏支架的纤维排列，而且能够复现人类心脏的跳动方式——拧动。
图4 多尺度心脏模型。
除了生物制造，FRJS可能在其他增材制造应用中发挥重要作用，因为它的生产速度与当前的工业工艺相当，同时还可实现微/纳米尺度的特征尺寸和可控的3D取向。因此，本研究开发的聚焦旋转喷射纺纱（FRJS）技术在微/纳米纤维方面具有潜在的应用前景。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl6395
