DOI:10.1016/j.msec.2020.111472

许多管状组织，如血管和气管，会因外伤和疾病而遭受长节段性缺损。由于目前自体移植物应用的局限性，合成替代物一直是人们关注的焦点。这些管状器官的制备往往借助诸如静电纺丝和熔融电写技术，使用旋转收集器来完成。当前的增材制造（AM）系统通常不使用旋转轴，这限制了该系统在管状支架制备中的应用。本研究开发出一种类似于熔融沉积成型（FDM）的基于四轴挤压的AM系统，以构建管状中空支架。进一步研究了矩形和菱形孔设计的机械性能，分别作为标准孔和仿生孔几何结构。研究证明，在径向压缩模式下，菱形孔设计的杨氏模量更高（与2.8±0.5MPa相比为1,8±0.7MPa），而在纵向拉伸模式下，矩形孔设计的杨氏模量更高（与0.1±0.01MPa相比为5.8±0.2MPa）。三点弯曲分析表明，与矩形设计相比，菱形孔设计更能抵抗内腔塌陷。该数据表明，通过改变支架的孔隙设计，可以获得广泛的机械性能。此外，所开发的四轴挤压系统可以实现对支架设计和几何结构的完全控制，而其他技术尚未对此进行报道。这种柔性允许通过设计合适的沉积模式以匹配其机械先决条件来制备用于不同管状组织再生应用的支架。

图1.基于四轴挤压的系统。（A）制备过程示意图。（B）用第四轴FDM系统制备的可能设计示例。（C）可以引入带有环和支杆的矩形孔设计。（D）菱形孔设计，其螺旋和旋转量可在设计中变化。

图2.设计概述。（A）矩形孔设计，支架中的环和支杆数量不同。（B）菱形设计，支架中螺距和螺旋数量不同。比例尺为1mm。

图3.径向压缩测试，每秒应变率为1％。（A）当环数量增加、支杆数量相同时，矩形孔设计中的杨氏模量。（B）当支杆数量增加、环数量相同时，矩形孔设计中的杨氏模量。（C）当螺旋数量相同、完整螺旋式转弯数量增加时，菱形设计中的杨氏模量。（D）当螺旋数量增加、完整螺旋式转弯数量相同时，菱形设计中的杨氏模量。统计学显著性：*p<0.05，**p<0.01，****p<0.0001。

图4.纵向拉伸试验，应变率为每秒1％。（A）当环数量增加、支杆数量相同时，矩形孔设计中的杨氏模量。（B）当支杆数量增加、环数量相同时，矩形孔设计中的杨氏模量。（C）当螺旋数量相同、完整螺旋式转弯数量增加时，菱形设计中的杨氏模量。（D）当螺旋数量增加、完整螺旋式转弯数量相同时，菱形设计中的杨氏模量。统计学显著性：***p<0.001，****p<0.0001。

图5.两种设计中拉伸试验的有限元模型。固定支架的一端，同时施加40％的拉伸位移。（A）具有6个环和9个支杆的矩形孔样品的模型，在左侧是支架的侧视图，在右侧是支架的俯视图。（B）具有4个螺旋和4.5mm间距的菱形设计模型，左侧是支架的侧视图，右侧是支架的俯视图。比例尺=2mm

图6.Micro-CT与矩形孔设计上的纵向拉伸试验数据相结合。在0、2、4、6和8mm的应变下拍摄图像。比例尺=500µm

图7.Micro-CT与菱形孔设计上的纵向拉伸试验数据相结合。在0、2、4、6和8mm的应变下拍摄图像。比例尺=500µm

图8.三点弯曲过程中40％应变下管腔的图像分析。（A）环数增加、支杆数量相同的矩形孔设计。（B）支杆数量增加、环数相同的矩形孔设计。（C）螺旋数量相同、旋转量增加的菱形设计。（D）螺旋和旋转量增加、总旋转量相同的菱形设计。*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001。