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  近日，國立京都工藝纖維大學（Kyoto Institute of Technology, KIT）徐淮中團隊成功實現(xiàn)了聚（乙醇酸-共-己內(nèi)酯）（PGCL）的高精度3D打印，有望成為熔體近場直寫（melt electrowriting, MEW）技術(shù)的第二種關(guān)鍵材料。該研究證實了PGCL不僅具備極高的打印穩(wěn)定性，同時PGCL支架的快速可降解性和力學可調(diào)控性為開發(fā)醫(yī)療器械提供了新方案。

  2025年12月26日，相關(guān)工作以"High-resolution and Ultra-stable 3D Printing of Poly(glycolide-co-caprolactone) for Developing Biodegradable Medical Devices"為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。國立京都工藝纖維大學博士研究生楊柳為第一作者，徐淮中副教授為通訊作者。

  組織工程與再生醫(yī)學發(fā)展迅速，但材料力學和降解行為如何匹配組織再生仍是當前再生醫(yī)學的關(guān)鍵點和痛點。尤其在心臟補片和血管等組織及動態(tài)負載相關(guān)應(yīng)用中，理想的支架材料不僅需具備精確可控的微結(jié)構(gòu)，還應(yīng)在使用過程中展現(xiàn)出與組織再生過程相匹配的力學與降解行為。熔體近場直寫作為一種先進的3D打印技術(shù)，能夠制備纖維直徑在1–60 μm，纖維間距低至25 μm的高精度支架。目前，聚己內(nèi)酯（PCL）因其優(yōu)異的打印穩(wěn)定性、良好的力學性能和生物相容性，被公認為是MEW領(lǐng)域中最重要的材料。然而，PCL較長的降解周期（>3年）約束了MEW技術(shù)在可降解醫(yī)療器械開發(fā)中的應(yīng)用。

  研究團隊自主研發(fā)的MEW裝置成功實現(xiàn)了長達100小時以上的PGCL連續(xù)穩(wěn)定打印。研究表明，PGCL在85°C下加熱96小時后，其分子量僅略微下降，熱降解速率與PCL相當，并顯著優(yōu)于PLLA等聚合物。在此穩(wěn)定加工狀態(tài)下，團隊制備出纖維直徑6 μm、纖維間距為100 μm的高精度支架，并實現(xiàn)了多種非線性圖案打印，如圖1所示。

圖1 不同結(jié)構(gòu)的PGCL支架形貌。

  針對高層管狀支架打印過程中電場變化引起纖維斷裂的挑戰(zhàn)，團隊通過靜電場模擬分析指導調(diào)節(jié)打印參數(shù)（圖2）。結(jié)果顯示，當升高接收距離，同時補償相應(yīng)電壓，可有效消除電場不足引起的纖維斷裂問題�；诖�，團隊成功打印了180層、形態(tài)完整且表面光滑的管狀支架（內(nèi)徑為2mm）。

圖2 PGCL管狀支架的形貌及靜電場模擬。

  在力學性能方面，PGCL展現(xiàn)出與PCL相當?shù)膹姸群腿犴g性，其中管狀支架斷裂伸長率超過1500%。在降解性能方面，為期一年的體外水解實驗結(jié)果顯示，PGCL較PCL支架表現(xiàn)出明顯的降解特征（圖3）。PGCL分子量和支架力學性能從第4個月起明顯下降，一年后PGCL支架結(jié)構(gòu)開始斷裂。

圖3 載紫杉醇藥物的PCL和PGCL支架的體外降解行為。

  為進一步拓展應(yīng)用場景，團隊將PGCL支架與GelMA水凝膠復合，成功制備出兼具力學性能與生物活性的醫(yī)療器械。如圖4所示，對于平面支架，僅引入10%的PGCL支架重量，即可使復合支架的初始拉伸剛度提升一倍；此外，PGCL賦予復合支架在初始加載階段呈現(xiàn)典型J形應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的力學特性，該特征與心肌等軟組織的力學行為高度吻合，表明其具備在動態(tài)生理環(huán)境中的應(yīng)用潛力。對于管狀結(jié)構(gòu)，復合管狀支架充分發(fā)揮了GelMA的抗壓性與PGCL的抗拉性，實現(xiàn)了力學的協(xié)同增強，在人工血管等領(lǐng)域中具備潛在優(yōu)勢。

圖4 PGCL增強GelMA平面及管狀復合支架的力學性能。

  綜上，該研究極大地提高了PGCL材料在MEW制備中的地位。PGCL支架優(yōu)異的打印性、良好的生物相容性和可控降解性激發(fā)了PGCL支架在組織工程和再生醫(yī)學領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力。此外，PGCL支架增強水凝膠為平衡支架的生物活性和力學性能提供了新方案。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202529410