DOI: https://doi.org/10.1007/s42765-025-00658-y
تاريخ النشر: 2026-01-03
المؤلف: Jinqiao Jia وآخرون
الموضوع الرئيسي: الألياف النانوية المصنوعة بالتقنية الكهربائية في التطبيقات الطبية
نظرة عامة
تعتبر تقنية الكتابة الكهربائية بالانصهار (MEW) تقنية متقدمة في التصنيع الإضافي التي أظهرت تقدمًا ملحوظًا في السنوات الأخيرة، خاصة في قدرتها على تصنيع هياكل دقيقة تشبه إلى حد كبير المصفوفة خارج الخلوية الطبيعية (ECM). تقدم هذه المراجعة نظرة شاملة على MEW، موضحة مبادئ التصميم الأساسية، ومكونات النظام، والمعلمات العملية الحرجة التي تؤثر على ترسيب الألياف. تعتبر هذه الرؤى ضرورية للتصميم العقلاني للهياكل الداعمة التي لا تكرر فقط الخصائص الهيكلية لـ ECM الأصلي ولكن تدعم أيضًا تطبيقات هندسة الأنسجة وتجديدها.
تستكشف المراجعة أيضًا اختيار وأداء المواد الحيوية المختلفة المستخدمة عادة في MEW، مع تسليط الضوء على تنوعها عبر سياقات هندسة الأنسجة المختلفة. تؤكد على دمج MEW مع المواد النشطة حيويًا كاستراتيجية واعدة لتعزيز الوظائف البيولوجية للهياكل المطبوعة، مما يوسع نطاق تطبيقاتها العلاجية. بالإضافة إلى ذلك، تتناول الورقة التحديات الحالية في هذا المجال وتحدد الآفاق المستقبلية، بهدف إبلاغ جهود البحث المستمرة وتسهيل الترجمة السريرية لتقنيات التصنيع الحيوي المعتمدة على MEW.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على الدور الحاسم في بناء هياكل دقيقة/نانوية وظيفية تحاكي المصفوفة خارج الخلوية (ECM) من أجل تجديد الأنسجة الفعال سواء في المختبر أو في الجسم الحي. يتم تسليط الضوء على ECM من خلال هيكله المعقد، الذي يؤثر على الوظائف البيولوجية الأساسية، بما في ذلك توفير ارتباط الخلايا، وتسهيل نقل المغذيات، وتقديم إشارات طوبوغرافية وبيولوجية. لتكرار وظيفة ECM، يجب أن تتميز الهياكل الاصطناعية المثالية بهندسة ثلاثية الأبعاد (3D)، وقنوات مغذية، وخصائص ميكانيكية مناسبة.
تم استكشاف تقنيات تصنيع مختلفة لتحقيق هذه الهياكل، حيث تعتبر تقنية النسيج الكهربائي طريقة شائعة لإنشاء هياكل ليفية. ومع ذلك، فإن اتجاه الألياف العشوائي الفطري يحد من تكرار هياكل ECM المنظمة. بالمقابل، تسمح تقنيات التصنيع الإضافي، مثل بلمرة الفوتونين وطرق النمذجة بالترسيب المنصهر (FDM)، بأشكال دقيقة ولكن تواجه قيودًا في الدقة وحجم المسام. مؤخرًا، ظهرت تقنية الطباعة الكهربائية الهيدروديناميكية (EHD) كطريقة واعدة عالية الدقة لإنتاج هياكل ليفية دقيقة/نانوية تحاكي ECM عن كثب. من بين متغيراتها، تقدم الكتابة الكهربائية بالانصهار (MEW) مزايا مثل المعالجة الخالية من المذيبات وزيادة الاستقرار، مما يجعلها مناسبة لإنشاء نماذج الأنسجة الاصطناعية. تركز هذه المراجعة على التقدم في MEW، موضحة مبادئها ومعاييرها وتطبيقاتها عبر أنسجة مختلفة، بينما تتناول أيضًا التحديات والاتجاهات البحثية المستقبلية في تصميم هياكل دعم هندسة الأنسجة.
طرق
تناقش هذه القسم التقدم في المواد البوليمرية المستخدمة في الكتابة الكهربائية بالانصهار (MEW) لهندسة الأنسجة، مع التركيز بشكل خاص على بولي كابرو لاكتون (PCL) ومشتقاته، التي تظل الخيار السائد بسبب توافقها الحيوي، وقدرات المعالجة، وخصائصها الميكانيكية. تم استكشاف تعديلات مختلفة على PCL، مثل طرق المعالجة اللاحقة لتعزيز المحبة للماء وإنشاء هياكل دعم مركبة مع مواد مثل نانو هيدروكسيباتيت (nHA) وبولي إيثيلين جلايكول (PEG)، لتحسين التصاق الخلايا، والتكاثر، والخصائص المضادة للبكتيريا. بالإضافة إلى ذلك، تكتسب بوليمرات أخرى مثل حمض البولي لاكتيك (PLA) وبولي (L-لاكتيد) (PLLA) اهتمامًا بسبب قابليتها للتحلل الحيوي وقوتها الميكانيكية، مع تركيبات محددة مثل بولي (L-لاكتيد-كـ-ε-كابرو لاكتون-كـ-أكريلويل كربونات) (PLACLAC) التي تظهر وعدًا في إصلاح الأوتار والأربطة.
كما يبرز هذا القسم أهمية محاكاة الهيكل المعدني للعظام لتعزيز الشفاء. لقد أظهر تغليف الهياكل الداعمة بـ nHA أنه يعزز التمايز العظمي ويعدل الاستجابات المناعية، بينما يمكن أن يؤثر فوسفات الكالسيوم (CaP) على نشاط الخلايا العظمية والخلايا البانية للعظام. يتم استخدام تقنيات مثل الترسيب الكيميائي لتعديل أسطح الهياكل الداعمة، مما يعزز ملاءمتها لإصلاح العظام. إن دمج عوامل علاجية مثل روكسيثروميسين (ROX) في الهياكل الداعمة يظهر إمكانيات لمنع العدوى أثناء تجديد العظام. بشكل عام، تعتبر هذه التقدمات في تعديلات البوليمر وتصميم الهياكل الداعمة ضرورية لتحسين النتائج في تطبيقات هندسة الأنسجة.
مناقشة
تناقش هذه القسم الأسس والآليات للكتابة الكهربائية بالانصهار (MEW)، وهي تقنية تستخدم لتصنيع هياكل ليفية لمختلف تطبيقات هندسة الأنسجة. يتضمن نظام MEW النموذجي حقنة زجاجية، وغلاف تسخين، ومصدر جهد عالي، وجامع. خلال العملية، يتم دفع المواد المنصهرة من خلال فوهة، مكونة مخروط تايلور تحت تأثير مجال كهربائي. إن توازن القوى—الجاذبية، والتوتر السطحي، والقوة الكهربائية—يحدد طرد نفاث مشحون نحو الجامع، حيث يتشكل هياكل ليفية. تؤثر المعلمات الرئيسية مثل الجهد المطبق، ومعدل التغذية، والمسافة بين الفوهة والجامع بشكل كبير على قطر الألياف، والشكل، ودقة الطباعة العامة. يسمح تحسين هذه المعلمات بإنتاج هياكل داعمة بخصائص ميكانيكية مصممة خصيصًا لتطبيقات هندسة الأنسجة المحددة.
تتوسع هذه القسم أيضًا في تطبيق هياكل MEW في هندسة الأنسجة القلبية، مع التأكيد على الحاجة إلى تكرار الخصائص الميكانيكية والهيكلية للأنسجة القلبية الأصلية لتعزيز محاذاة الخلايا والانقباض المتزامن. تم تطوير تصاميم مختلفة للهياكل الداعمة، بما في ذلك الهياكل الموجية والهياكل المساعدة، لتعزيز الأداء الميكانيكي ومحاكاة المصفوفة خارج الخلوية الطبيعية (ECM). بالإضافة إلى ذلك، تم استكشاف دمج المواد الموصلة في هياكل MEW لتحسين انتشار الإشارات الكهربائية، وهو أمر حاسم لوظيفة خلايا القلب. تمتد المناقشة أيضًا إلى أدوار الهياكل الداعمة في هندسة الأنسجة العظمية والغضروفية، مع تسليط الضوء على قدرتها على دعم تكاثر الخلايا، والتمايز، وتكوين الأوعية، مما يسهل تجديد الأنسجة بشكل فعال. بشكل عام، تظهر هياكل MEW إمكانيات كبيرة في إنشاء هياكل تحاكي الطبيعة يمكن أن تعالج التحديات الفريدة لمختلف تطبيقات هندسة الأنسجة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s42765-025-00658-y
Publication Date: 2026-01-03
Author(s): Jinqiao Jia et al.
Primary Topic: Electrospun Nanofibers in Biomedical Applications
Overview
Melt-electrowriting (MEW) is an advanced additive manufacturing technique that has shown notable advancements in recent years, particularly in its ability to fabricate fine structures that closely resemble the natural extracellular matrix (ECM). This review provides a comprehensive overview of MEW, detailing its fundamental design principles, system components, and the critical process parameters that influence fiber deposition. Such insights are essential for the rational design of scaffolds that not only replicate the structural characteristics of native ECM but also support tissue engineering and regeneration applications.
The review further explores the selection and performance of various biomaterials commonly used in MEW, highlighting their versatility across different tissue engineering contexts. It emphasizes the integration of MEW with bioactive materials as a promising strategy to enhance the biological functionality of printed constructs, thereby broadening their therapeutic applications. Additionally, the paper addresses current challenges in the field and outlines future perspectives, aiming to inform ongoing research efforts and facilitate the clinical translation of MEW-based biofabrication technologies.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the critical role of constructing functional micro/nanoscale structures that mimic the extracellular matrix (ECM) for effective tissue regeneration both in vitro and in vivo. The ECM is highlighted for its complex architecture, which influences essential biological functions, including providing cellular attachment, facilitating nutrient transport, and delivering topographical and biological signals. To replicate the ECM’s functionality, ideal artificial structures must feature a three-dimensional (3D) architecture, nutrient channels, and appropriate mechanical properties.
Various fabrication techniques have been explored to achieve these structures, with electrospinning being a common method for creating fibrous architectures. However, its inherent random fiber orientation limits the replication of organized ECM structures. In contrast, additive manufacturing techniques, such as two-photon polymerization and fused deposition modeling (FDM), allow for precise geometries but face limitations in resolution and pore size. Recently, electrohydrodynamic (EHD) printing has emerged as a promising high-resolution technique for producing micro/nanoscale fibrous scaffolds that closely mimic the ECM. Among its variants, Melt-electrowriting (MEW) offers advantages such as solvent-free processing and enhanced stability, making it suitable for creating artificial tissue analogs. This review focuses on the advancements in MEW, detailing its principles, parameters, and applications across various tissues, while also addressing challenges and future research directions in tissue engineering scaffold design.
Methods
The section discusses the advancements in polymer materials used in Melt-Electrowriting (MEW) for tissue engineering, particularly focusing on polycaprolactone (PCL) and its derivatives, which remain the predominant choice due to their biocompatibility, processing capabilities, and mechanical properties. Various modifications to PCL, such as post-treatment methods to enhance hydrophilicity and the creation of composite scaffolds with materials like nano-hydroxyapatite (nHA) and polyethylene glycol (PEG), have been explored to improve cell adhesion, proliferation, and antibacterial properties. Additionally, other polymers like polylactic acid (PLA) and poly(L-lactic acid) (PLLA) are gaining attention for their biodegradability and mechanical strength, with specific formulations like poly(L-lactide-co-ε-caprolactone-co-acryloyl carbonate) (PLACLAC) showing promise for tendon and ligament repair.
The section also highlights the importance of mimicking the mineral structure of bone to enhance healing. Coating scaffolds with nHA has been shown to promote osteogenic differentiation and modulate immune responses, while calcium phosphate (CaP) can influence osteoclast and osteoblast activity. Techniques such as chemical precipitation are employed to modify scaffold surfaces, enhancing their suitability for bone repair. The incorporation of therapeutic agents like roxithromycin (ROX) into scaffolds demonstrates potential for preventing infections during bone regeneration. Overall, these advancements in polymer modifications and scaffold design are crucial for improving outcomes in tissue engineering applications.
Discussion
The section discusses the fundamentals and mechanisms of Melt-Electrowriting (MEW), a technique used to fabricate fibrous scaffolds for various tissue engineering applications. A typical MEW system includes a glass syringe, heating sleeve, high-voltage source, and a collector. During the process, melted materials are extruded through a nozzle, forming a Taylor cone under the influence of an electric field. The balance of forces—gravity, surface tension, and electric force—dictates the ejection of a charged jet towards the collector, where it forms fibrous structures. Key parameters such as applied voltage, feed rate, and nozzle-to-collector distance significantly influence fiber diameter, morphology, and overall printing accuracy. The optimization of these parameters allows for the production of scaffolds with tailored mechanical properties suitable for specific tissue engineering applications.
The section further elaborates on the application of MEW scaffolds in cardiac tissue engineering, emphasizing the need to replicate the mechanical and structural characteristics of native cardiac tissue to promote cell alignment and synchronous contraction. Various scaffold designs, including sinusoidal and auxetic structures, have been developed to enhance mechanical performance and mimic the natural extracellular matrix (ECM). Additionally, the integration of conductive materials into MEW scaffolds has been explored to improve electrical signal propagation, which is crucial for cardiac cell functionality. The discussion also extends to the scaffolds’ roles in bone and cartilage tissue engineering, highlighting their ability to support cell proliferation, differentiation, and vascularization, thereby facilitating effective tissue regeneration. Overall, MEW scaffolds demonstrate significant potential in creating biomimetic structures that can address the unique challenges of various tissue engineering applications.