弗劳恩霍夫应用聚合物研究所 (IAP) 和德国国家医学科学研究所 (NMI) 的研究人员联合开发了一种 3D 打印组织替代材料，该材料能够模拟天然组织的力学性能，两家机构已共同为该材料申请了专利。这项在德国联邦政府 PolyKARD 项目支持下完成的研发工作，现已具备应用于医疗技术的条件。
这种材料由三层组成：聚氨酯丙烯酸酯聚合物薄膜、3D打印的波浪状超结构和静电纺丝胶原蛋白。它们共同复制了天然组织的力学和生物学特性。弗劳恩霍夫应用物理研究所/罗米娜·舍内费尔德
这种材料的独特之处在于其三层结构。最底层是由聚氨酯丙烯酸酯制成的致密聚合物薄膜。在其上，通过3D打印技术施加波浪状超结构，从而控制其力学性能。随后，添加采用NMI开发工艺生产的静电纺丝胶原蛋白，以支持其生物功能。胶原蛋白纤维的质量通过酶分析和非侵入性光谱分析进行验证。
这种波浪状几何结构是复制所谓非线性应力-应变行为的关键，这种特性是心包等天然组织所具有的，但传统聚合物难以复制。“我们的拉伸测试表明，这种材料的应变和强度行为与天然心包组织非常相似。拉伸时，波浪会拉长，使材料保持柔韧性。只有在更高的应变下，刚度才会突然增加，”弗劳恩霍夫应用物理研究所 (Fraunhofer IAP) 的 Hadi Bakhshi 博士说道，他与 Wolfdietrich Meyer 博士共同开发了这种材料和打印技术。
这种新开发的仿生组织替代物为高性能植入物开辟了新途径——图中展示的是一个打印的心包。图片来源：弗劳恩霍夫应用物理研究所/Till Budde
Meyer 直截了当地阐述了这种更广泛的方法：“通过精心结合结构设计和生物材料，我们可以获得与天然组织非常相似的机械性能。”
NMI开展的细胞-材料相互作用研究证实了该材料的生物相容性。细胞毒性试验表明该材料对细胞无不良影响，而对人皮肤成纤维细胞和上皮细胞的研究表明，三维纤维网络能够促进细胞黏附和生长。NMI的Hanna Hartmann博士表示：“研究结果表明，技术材料和生物功能可以被专门设计并结合到仿生材料中。这为生物混合植入物的开发开辟了新的可能性。因此，我们现在已联合为这种组织替代物申请了专利。”
研究人员表示，这种材料的概念并不局限于心包组织。他们认为它在人工血管、支架移植物、硬脑膜替代物和人造皮肤等领域具有潜在的应用价值。“我们的研发已经发展到可以转化为具体应用的阶段，”迈耶说。“下一步是与工业伙伴合作，开发具体产品并将其推向市场。”
Fraunhofer IAP 将于 2026 年 4 月 20 日至 24 日在汉诺威工业博览会上展示组织替代品，展位位于 11 号展厅 D33 展位的 Fraunhofer 联合展台。
来源：iap.fraunhofer.de
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