2026年8月28日，来自汉诺威医学院、亚琛工业大学、达姆施塔特工业大学和特温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支架，采用三周期极小表面 (TPMS) 膜代替传统的空心纤维束。相关研究以题为“从纤维束到结构化膜：用于生物混合人工肺的三重周期最小表面结构/From Fiber
Bundles to Architected Membranes: Triply Periodic Minimal Surface
Architectures for Biohybrid Artificial Lungs”的论文发表在《先进材料》杂志上。论文由 Michael
Pflaum、Kai P. Barbian、Florian Neuhaus、Gerrit Sitarz、Carolin
Nölke、Sebastian V. Jansen、John Linkhorst、Lukas T. Hirschwald、Sebastian
Brosch、Christian Certa、Ulrich Steinseifer、Matthias Wessling、Jutta
Arens、Arjang Ruhparwar 和 Bettina Wiegmann 共同完成。
本研究结合了模拟、可打印硅胶材料和内皮化技术，评估了TPMS膜在改善生物混合肺中的血流和氧气传输方面的应用。人工肺和体外膜肺氧合（ECMO）系统目前主要依赖于空心聚（4-甲基-1-戊烯）纤维束。血液围绕这些纤维流动，而富氧气体则通过内部。这种结构会导致血流不均，包括纤维间的高速区域和下游的低速或停滞区域。这些情况会促进血小板活化和血栓形成，同时也会限制气体交换效率。研发团队研究了三重周期最小曲面 (TPMS) 几何体，这是一种数学定义的结构，它形成连续的三维曲面，将体积分成两个相互交织但独立的通道。对于人工肺而言，一个通道可以输送血液，而另一个通道可以输送吹扫气体，它们之间的连续膜则充当气体交换界面。
△xPDMSTPMS结构的内皮化及CT衍生的人工肺植入设计。图片来自Pflaum等人，《先进材料》。
TPMS几何结构改善了模拟氧气传输
研究人员采用施瓦茨菱形拓扑结构，构建了膜壁厚度为10–400 µm的1mm和4mm TPMS单元模型。CFD模拟结果表明，与HFM束相比，TPMS能够实现更均匀的流动，使停滞区减少高达56%，最大流速从0.126 m/s降低至0.062 m/s。气体传输模拟结果表明，壁厚为10 µm的1 mm单元是性能最佳的配置，氧气传输速率平均比 HFM 高 87.8%。
△对比传统中空纤维膜束和TPMS膜结构，并通过CFD模拟展示各自的血流分布。图片来自Pflaum等人发表于《先进材料》的论文。
二氧化碳输送量平均仅增加了3.4%。
研究人员指出，氧气运输更能受益于血流分布的改善，因为它对血液侧扩散限制更为敏感。二氧化碳的扩散性和溶解度更高，因此受局部血流条件变化的影响较小。理论上，优化后的配置可以使用比传统 HFM 系统少约 44.1% 的膜表面积提供相同的氧气传输。减少膜面积还可以减少直接暴露于循环血液中的人工材料的数量。这些性能数据是基于模拟结果，而不是使用完整的打印式 TPMS 氧合器进行的气体交换测试结果。
△模拟了TPMS膜和传统中空纤维膜的氧气和二氧化碳传输速率。优化后的1 mm厚TPMS膜结构（壁厚10 µm）实现了最高的模拟氧气传输速率。图片来自Pflaum等人发表于《先进材料》的论文。
寻找一种可打印的透气膜
研究人员筛选了几种可打印材料，包括 MAP-PDMS、xPDMS、PorePro 和Sinterit的
FlexaGrey TPU。FlexaGrey 和 PorePro 需要 PDMS 涂层，分别形成 403.7±44.9 µm和168.2 ±
6.8 µm的涂层。相比之下，xPDMS 可以直接通过DLP 打印成致密的100 µm壁，氧气渗透性明显高于HFM 参考材料，并且内皮细胞活力保持在研究的 80% 阈值以上。
△SEM图像对比了致密和多孔候选膜材料以及PDMS涂层在FlexaGrey和PorePro上的行为。图片来自Pflaum等人，《先进材料》。
添加一个与血液接触的活体表面
xPDMS兼具可打印性和透气性，但血小板黏附性高于HFM参考材料。因此，研究人员在材料表面涂覆纤连蛋白，并接种原代人内皮细胞。细胞形成融合的单层，具有VE-钙黏蛋白阳性连接和IV型胶原沉积，基因表达分析显示血栓调节蛋白表达增加。研究人员随后测试了内皮细胞是否能在3D打印小型Gyroid TPMS结构上生长。尽管这些样本使用了1毫米厚的结构壁，比性能最佳的模拟中使用的10微米几何结构厚得多，但细胞仍然沿着曲面形成了一层连续的细胞层。研究团队还利用大鼠肺部CT扫描设计了用于整个右肺或上叶的TPMS植入物。模拟结果表明，与中心布局相比，外周顶端和基底端口布局能带来更均匀的血流。这项技术仍处于早期阶段，面临的挑战包括打印无缺陷的薄膜、打印后清理封闭通道以及在长期血流条件下维持稳定的内皮细胞层。
将胎压监测系统几何结构转化为功能性器件
其他研究人员也在利用增材制造技术，使功能器件摆脱传统的平面结构。今年早些时候，丹麦技术大学的一个团队使用Lithoz陶瓷3D打印技术，制造出基于整体式螺旋结构而非堆叠式平面电池的固体氧化物燃料电池。设计采用了薄内壁和密封外壳，以确保气密性。
对于生物医学应用而言，高分辨率打印还取决于所用材料是否与活细胞相容。克里特大学和FORTH的研究人员近期利用双光子聚合（2PP）技术，制备了具有螺旋体和施瓦茨金刚石TPMS几何结构以及微米级孔隙的GelMA支架。他们的研究重点在于一种基于姜黄素的光引发剂，旨在将高分辨率打印与细胞相容性相结合。细胞相容性也是用于人工肺的xPDMS方法所面临的限制。尽管GelMA的研究目前仍处于预印本阶段，且仅在微尺度上进行了验证，但人工肺研究表明，2PP是实现更小TPMS特征的一种可能途径。
来源：南极熊
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