本研究结合熔体近电纺丝(MEW)和熔融沉积成型(FDM)技术，开发了模拟天然骨结构的混合骨支架。PCL用于MEW制造松质骨区域，PVDF用于FDM制造皮质骨区域并提供压电刺激。结果表明，该混合支架抗压强度高达70.9 MPa，细胞存活率达92%，为骨组织再生提供了极具前景的解决方案。

01研究内容简介

研究背景：制造能够密切模拟天然骨骼结构特征（由松质和皮质区域组成）的支架仍然是骨组织工程面临的主要挑战之一。具有压电特性的生物材料在机械应力下能产生局部电场，其产生的电信号可用于刺激损伤部位的再生细胞，从而加速骨愈合过程。研究方法：本研究创新性地结合了两种增材制造（3D打印）技术来构建混合骨支架，如图1所示：内部松质骨核心：选用具有良好生物相容性的聚己内酯（PCL），通过熔体近电纺丝（MEW）技术制造，以获得高孔隙率并支持细胞的附着和增殖。外部皮质骨外壳：选用聚偏氟乙烯（PVDF），通过熔融沉积成型（FDM）技术制造，以提供卓越的机械强度和压电功能。图1混合骨支架制造过程的示意图

研究结果：

1. 形态学与结构特征

MEW制造的PCL核心呈现高度有序且分布均匀的纤维网络（平均纤维直径约70 μm），且该核心与FDM制造的PVDF外壳之间界面结合紧密，没有分离现象，保证了支架的整体结构完整性，如图2所示。图2 不同支架的SEM图像，展示了PCL与PVDF结构的形貌及界面整合

2. 仿生机械性能

作为皮质骨外壳，压电PVDF表现出极高的抗压强度（89.7 MPa）；而多孔的PCL核心则承担松质骨的作用，具有良好的延展性（极限拉伸应变约100%）。这种联合作用确保了生成的支架既能抵抗高压缩载荷，又具备骨组织工程所需的变形能力。3. 压电输出性能在频率3 Hz、作用力20 N的循环压缩机械载荷下，PVDF支架能够产生约560 mV的峰值输出电压，而作为非压电对照组的PCL仅产生微弱的仪器波动，证明了混合支架中PVDF出色的电生理刺激潜力，如图3所示。

图3：方法三的全自动工作流。专为低门槛、高通量生产设计，展示了从STL到机器代码的无缝转换。

4. 细胞活力与附着MTT分析证实所有支架均具有良好的细胞相容性（图4）。特别是在动态机械加载的培养条件下，得益于PVDF外壳在应力下产生的局部电信号刺激以及混合支架天然的孔隙优势，混合支架（PVDF外壳/PCL核心）表现出最优的MG-63成骨样细胞附着、铺展及增殖效果，细胞存活率高达92%。

图4 MG-63细胞的MTT活性柱状图与FESEM细胞附着形态图

结论：所开发的混合支架具备骨架所需的机械性能、优越的生物相容性及强大的压电响应，是处于机械动态环境下的骨组织工程的理想候选材料。

02 论文第一/通讯作者简介

第一作者：Sina Fazel Modarres通讯作者：Kaivan Mohammadi伊朗德黑兰谢里夫理工大学机械工程系先进制造实验室(Advanced Manufacturing Laboratory, Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran)通讯邮箱：kaivan.mohammadi@sharif.edu

03 原文信息

Sina Fazel Modarres, Kaivan Mohammadi. Design and fabrication of a hybrid piezoelectric bone scaffold using melt electrowriting (MEW) of PCL and FDM 3D-Printing of PVDF. Smart Materials in Manufacturing. Volume 4 (2026) 100130.

04 原文链接

https://doi.org/10.1016/j.smmf.2026.100130

05 期刊简介

Smart Materials in Manufacturing (SMMF) 是一本跨学科的开放获取型国际期刊。期刊主要关注最新型嵌入式功能材料的制造、加工及创新，聚焦现有及最前沿的处理新型材料及系统的制造技术。期刊主编由RMIT University的Cuie Wen教授担任。

SMMF主要刊发原创研究论文、权威评论和最前沿的研究理论及观点。涉及研究领域包括但不限于结构层次、仿生学、受控相位形成、结构适应性、形状记忆和变形能力、刺激响应、针对目标应用、传感和驱动的改进和定制特性。

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