Fraunhofer IAP与NMI联合开发了一种新型3D打印仿生组织替代材料，通过多层结构设计成功模拟天然组织的非线性力学行为，可在低应力下保持柔软，在高应变下显著增刚，接近人体心包等软组织特性。该材料由聚氨酯丙烯酸酯聚合物薄膜、3D打印波浪形超结构以及电纺胶原三层组成，不仅具备优异的机械可调性，还展现出良好的细胞相容性，可支持细胞黏附与生长。该技术有望应用于人工血管、支架覆膜、硬脑膜替代及人工皮肤等多个生物医学领域，成为可工业化转化的生物混合植入平台材料，推动组织工程与再生医学发展。
弗劳恩霍夫应用高分子研究所（Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research, IAP）与NMI自然与医学科学研究所（NMI Natural and Medical Sciences Institute）联合开发了一种具有专利申请中的仿生组织替代材料，该材料以3D打印作为其结构骨架，目前已具备向工业化转化的条件。
该材料在PolyKARD项目框架下开发，解决了生物医学工程中长期存在的一个关键难题：如何复现天然组织的非线性力学行为。类似心包等组织在低负载下柔软可弯曲，而在高压力下会迅速变硬，而传统聚合物材料只能在某一端近似这种行为，无法同时实现两种特性。该新型多层结构设计成功实现了这一点。
结构即解决方案：材料的工作原理
该组织替代材料由三种不同功能层构成，在弗劳恩霍夫IAP波茨坦科学园区制备完成，每一层承担特定作用。底层是一种致密的聚氨酯丙烯酸酯聚合物薄膜。在其上方，通过3D打印沉积了一种波浪形超结构，这一层决定材料的力学行为。当材料被拉伸时，波浪结构逐渐伸展，使整体保持柔韧性。当应变超过特定阈值后，材料刚度会显著上升，从而高度模拟天然心包组织的非线性应力-应变响应。
第三层为电纺胶原，由NMI开发的一种专有工艺制备。该层通过专门的酶学分析与非侵入式光谱分析进行持续监测，以确保其生物界面满足细胞相互作用所需标准。
该材料由三层组成：聚氨酯丙烯酸酯聚合物薄膜、3D打印波浪形超结构以及电纺胶原。图片来源：弗劳恩霍夫研究所。
研究表明，该纤维网络的三维形态能够有效支持细胞黏附与生长。通过对人类皮肤成纤维细胞与上皮细胞的实验验证显示，该材料无细胞毒性，对细胞未产生不良影响。
NMI的汉娜·哈特曼博士表示：“研究结果表明，技术材料与生物功能可以被精确设计并结合为仿生材料。这为生物混合植入物的发展开辟了新的可能性，因此我们已共同申请该组织替代材料的专利。”
从心包到平台：广泛的应用潜力
尽管该材料以心包组织作为主要参考对象，但其设计理念并不局限于单一应用场景。相同的多层结构体系——可调超结构、聚合物基底以及生物活性表面——可扩展应用于人工血管、支架移植物、硬脑膜替代物以及人工皮肤等领域。对于医疗器械企业而言，这意味着它不是单一植入产品，而是一个可配置的材料平台。
“我们的研究已经达到可以向具体应用转化的阶段，”Wolfdietrich Meyer博士解释道，“下一步是与工业合作伙伴合作，将其转化为具体产品，并推进至市场化应用。”
弗劳恩霍夫IAP与NMI联合开发的新型仿生组织替代材料。图片来源：弗劳恩霍夫研究所。
长期挑战：寻找真正“像组织一样”的材料
在3D打印材料中复现软组织力学行为长期以来一直是研究热点。大多数方法要么聚焦于生物相容性，要么关注几何可定制性，但要同时匹配天然组织的非线性力学特征——即在不同应变范围内同时表现出柔软与刚性——一直非常困难。
例如，德州农工大学生物医学工程系的研究指出，常用于生物打印的水凝胶通常缺乏结构稳定性与组织特异性功能。理想生物墨水需要同时满足可挤出成型、在打印过程中保护细胞以及提供可重塑的微环境，但目前尚无单一材料体系能够完全实现这些要求。
然而，这一材料与生物之间的差距正逐渐通过“几何设计”而非“化学改性”被弥合。在明尼苏达大学，研究人员通过在体素尺度上控制纤维几何结构（包括打印线高度与间距），成功调节材料刚度比，使其在无需改变基础材料的情况下实现与人体皮肤相当的各向异性。
Fraunhofer IAP与NMI的方法正处于这一发展趋势之中。通过将刚度响应嵌入3D打印的波浪形超结构，而非改变聚合物本身，该团队实现了将力学行为与材料选择解耦，使这一设计逻辑能够跨组织类型迁移，并在无需重新配方的情况下适配不同应用场景。
