本研究由都灵理工大学与马斯特里赫特大学团队开展，提出一种基于Voronoi结构的生物仿生支架设计方法，并开发Python工具实现复杂连续路径生成，适用于挤出式3D打印（FDM与MEW）。该方法可构建更接近真实肺泡结构的体外肺组织模型，并结合静电纺丝纳米纤维膜，形成多尺度复合支架。实验表明，该结构支持上皮与内皮细胞共培养，成功模拟肺泡-毛细血管屏障，为组织工程和生物医学研究提供更具生理相关性的模型方案。
来自都灵理工大学与马斯特里赫特大学的研究人员开发了一种受生物启发的支架设计方法，该方法利用定制的 Voronoi 路径生成器，用于挤出式 3D 打印。该研究发表在《Biomaterials Science》期刊上，介绍了一款基于 Python 的软件工具，可通过熔融静电直写（MEW）和熔融沉积建模（FDM）制造不规则的仿生结构。其目标是构建更加符合生理特征的体外肺组织模型。
该系统能够为复杂的 Voronoi 几何结构生成连续的工具路径，而这些结构通常难以通过标准切片软件实现。这些几何结构被用于制造支架，以模拟肺泡组织的结构。打印得到的结构随后与静电纺丝纳米纤维膜相结合，形成一种多尺度复合结构，旨在模拟肺泡-毛细血管屏障。
Voronoi 基支架设计（左）以及通过 FDM 和 MEW 制备的打印结构。图片来源：Farina 等人。
用于不规则仿生结构的定制路径生成
研究指出，传统切片工具通常针对规则或参数化几何进行了优化，缺乏为 Voronoi 这类非重复结构生成连续挤出路径的能力。为了解决这一问题，研究团队开发了一款名为 Voronoi Path Generator（PyVoroGen）的定制 Python 软件工具，该工具可将 Voronoi 布局转换为适用于挤出式增材制造的 G-code。
该软件允许用户通过图形界面定义种子数量、图案直径和纤维厚度等参数。它利用图论算法生成连续的工具路径，以确保与需要连续挤出的 MEW 工艺兼容。对于 FDM 工艺，则引入了额外的处理步骤，在路径重复经过某些区域时抬起喷头，以避免材料重叠并防止与已沉积材料发生碰撞。
除了路径生成外，该软件还具备对支架性能的预测分析功能，包括孔隙率和孔面积，从而在设计参数与预期打印结果之间建立直接联系。
从 Voronoi 几何生成连续路径的工作流程，包括种子分布、图结构转换和路径优化。图片来源：Farina 等人。
基于 MEW 与 FDM 工艺的制造
这些基于 Voronoi 的支架通过熔融静电直写和熔融沉积建模两种工艺制造完成。共聚焦成像结果表明，打印结构能够准确再现设计的几何形态，证明了利用挤出式 3D 打印制造非重复仿生结构的可行性。
在两种制造方法之间观察到一定差异。MEW 能够制备更细的纤维，平均直径约为 92 微米，而 FDM 则产生较粗的纤维，并在节点结构的几何精度方面表现出更高的保真度，尽管存在一些轻微的连接缺陷，偶尔会导致相邻单元的融合。相比之下，MEW 在较短路径段上由于方向快速变化，其几何保真度有所降低。
孔隙率测量结果与软件预测值高度一致，其中 FDM 支架的归一化实测与理论偏差约为 2.2%，MEW 支架约为 1.7%。
混合支架设计整合静电纺丝技术
在制造完成后，3D 打印的 Voronoi 骨架与由聚己内酯（PCL）和明胶组成的静电纺丝膜结合。该膜的平均厚度约为 3 微米，直接沉积在打印结构上，从而形成复合支架。
扫描电子显微镜观察显示，纳米纤维层能够贴合底层的 Voronoi 结构，部分跨越孔隙，形成一种三维膜结构，将微尺度的打印纤维与纳米尺度的电纺纤维整合在一起。
扫描电镜图像显示静电纺丝纳米纤维与 3D 打印 Voronoi 支架的整合情况。图片来源：Farina 等人。
体外共培养展示分区屏障的形成
为了评估其生物学性能，研究人员在膜的两侧分别培养人肺泡上皮细胞（A549）和内皮细胞（HUVEC）。该结构在气液界面条件下培养，总培养时间为十天。
实验结果显示，两侧细胞均能够成功附着并增殖，其中上皮细胞在顶侧形成连续层，而内皮细胞则在基底侧定植。免疫荧光成像证实形成了类似肺泡-毛细血管屏障的分区细胞结构。
超薄的电纺膜使研究人员能够同时观察两层细胞，并支持它们之间的相互作用。同时，Voronoi 结构也对空间组织产生影响，打印的微纤维会改变细胞形态。
免疫荧光与明场图像显示上皮细胞与内皮细胞分别在 Voronoi 支架两侧生长，形成分区屏障结构。图片来源：Farina 等人。
迈向更具仿生特征的体外组织模型
该研究表明，该平台能够制造出在结构复杂性方面优于传统支架几何的支架。通过结合定制计算设计、挤出式 3D 打印以及静电纺丝技术，该方法为构建更符合生理特征的体外模型提供了一种可行路径。
尽管当前支架尚未达到天然肺泡结构的尺度，但该研究展示了一种将仿生几何整合进增材制造流程的框架，为组织工程应用提供了新的方向。
在组织工程中追求更真实的支架结构
近年来，针对生物医学应用的 3D 打印支架改进工作，越来越关注对天然组织结构的复制。例如，堪培拉新南威尔士大学的研究人员开发了更接近天然骨结构的 3D 打印骨支架，旨在提高组织再生效果。类似地，在脊髓修复领域的研究也表明，支架结构在支持功能恢复方面起着关键作用，而 3D 打印结构能够引导细胞生长并促进组织整合。
尽管这些方法突出了几何结构对生物性能的重要性，但大多数仍依赖相对规则或可控的结构形式，以适配现有制造流程。将更不规则、异质性的设计转化为可打印结构仍然具有挑战性。本研究提出的方法通过实现非重复几何结构的连续路径生成，解决了这一限制，从而支持制造更接近天然组织组织方式的支架结构。
该研究题为《Bioinspired scaffold design using a custom Voronoi path generator for extrusion-based 3D printing》，由 Federico Farina、Michela Licciardello、Lorenzo Moroni、Joanna Babilotte、Gianluca Ciardelli 和 Chiara Tonda-Turo 共同完成。
