增材制造新突破：3D打印TPMS膜让人工肺氧气传递效率提升87.8%

来自德国汉诺威医学院、亚琛工业大学、达姆施塔特工业大学以及荷兰特文特大学的研究团队，开发了一种基于增材制造的人工肺设计框架。
这个框架用三周期极小曲面（TPMS）膜替代传统中空纤维束。
相关成果发表在材料学期刊《先进材料》上。

研究结合了仿真模拟、可打印硅胶材料和内皮化技术，想看看TPMS膜能不能改善生物杂合人工肺里的血流和氧气传递。
目前的人工肺和体外膜氧合（ECMO）系统，主要依赖聚（4-甲基-1-戊烯）中空纤维束。
血液在纤维周围流动，富氧气体从纤维内部通过。

这种结构会产生不均匀的血流，纤维之间出现高速区域，下游则是低速甚至滞止区域。
这些条件可能促进血小板活化和血栓形成，同时限制气体传递效率。

TPMS几何结构来自数学定义，能形成连续的三维曲面，把体积分成两个相互交织但彼此分离的通道。
用在人工肺上，一个通道走血液，另一个通道走吹扫气体，两个通道之间那层连续膜就是气体交换界面。

仿真以Schwarz Diamond拓扑为对象，分别模拟了壁厚10到400微米、单元胞尺寸1毫米和4毫米的TPMS结构。
计算流体动力学结果显示，与中空纤维束相比，TPMS的血流分布更均匀，滞止区域减少最多56%。

最大流速从0.126米每秒下降到0.062米每秒。
气体传递仿真里，壁厚10微米、单元胞1毫米的配置最优，平均氧气传递速率比中空纤维束高出87.8%。

不过二氧化碳传递只平均增加了3.4%。

为什么氧气提升这么大，二氧化碳却几乎没动？
研究人员解释，氧气传递受益于改善后的血流分布更显著，因为氧气对血液侧的扩散限制更敏感。
二氧化碳的扩散系数和溶解度更高，所以受局部流动条件变化的影响较小。

优化后的配置，理论上能用比传统中空纤维系统少约44.1%的膜面积，实现等效的氧气传递。
膜面积减少，直接暴露在循环血液中的人工材料数量也会变少。
需要说明，这些性能数据都来自仿真模拟，不是用完整打印的TPMS氧合器做气体交换测试得到的。

为了实现可打印的气体渗透膜，团队筛选了好几种材料，包括MAP-PDMS、xPDMS、PorePro和波兰公司Sinterit的FlexaGrey TPU。
FlexaGrey和PorePro需要涂一层PDMS，涂层厚度分别达到403.7±44.9微米和168.2±6.8微米。

xPDMS则可以直接用数字光处理（DLP）技术打印成致密的100微米壁厚，氧气渗透率比中空纤维束参考材料高不少。
它还能把内皮细胞活力维持在研究中80%的阈值以上。

xPDMS虽然兼具可打印性和气体渗透性，但血小板粘附率比中空纤维束参考材料更高。
团队用纤连蛋白包被材料，再接种原代人内皮细胞。
细胞形成了融合的单层，带有VE-钙黏蛋白阳性连接和IV型胶原沉积，基因表达分析还显示血栓调节蛋白表达增加。

他们又测试了内皮细胞能否在小型3D打印Gyroid TPMS结构上生长。
结果显示，细胞沿曲面形成了连续层，不过这些样品使用的是1毫米结构壁，比最优仿真里的10微米几何结构厚得多。

团队还利用大鼠肺部CT扫描，设计了用于全右肺或上叶的TPMS植入物。
仿真结果表明，外周顶端和基底端口比中心布局更有利于均匀血流。
这个设计还处在早期阶段，要打印无缺陷的薄膜、清除封闭通道里的残留物，还要在长期血流条件下维持稳定的内皮层，这些都是挑战。

其他研究组也在用增材制造，把功能设备从传统的平面结构转向新构型。
今年早些时候，丹麦技术大学的一个团队使用了奥地利公司Lithoz的陶瓷3D打印技术，制造出基于整体Gyroid结构而非堆叠平面电池的固体氧化物燃料电池。
这种设计包含薄内壁和密封外壳，用来维持气密操作。

生物医学应用里，高分辨率打印还取决于材料能否和活细胞相容。
希腊研究与技术基金会（FORTH）的研究人员，最近用双光子聚合技术制造了具有Gyroid和Schwarz Diamond TPMS几何结构、还带微米级孔的GelMA支架。
他们围绕一种基于姜黄素的光引发剂，想把高分辨率制造和细胞相容性结合到一起，这个约束也影响着人工肺研究中的xPDMS方法。

这项肺研究将双光子聚合看成继续缩小TPMS特征的可能途径之一，不过GelMA研究目前还是预印本，也只展示了微尺度成果。
论文题为「从纤维束到结构化膜，用于生物杂合人工肺的三周期极小曲面结构」，已经发表在《先进材料》上。
研究由汉诺威医学院、亚琛工业大学、达姆施塔特工业大学和特文特大学的团队完成。