鼓膜将空气中的声波转化为听骨链的机械运动。这需要对小的动态压力变化具有高灵敏度，并能抵抗大的准静态压力差。稳定且长期的鼓膜重建对炎症控制和中耳腔再生至关重要，完美的鼓膜重建需要在植入物的稳定性与声学特性之间找到生物力学的平衡。目前临床的手段通常为自体移植的软骨膜、筋膜或软骨。当使用软骨膜或筋膜，声学特性通常能得到充分恢复，但重建不够稳定而易产生穿孔。而当使用薄层自体软骨，重建的稳定性更高，很少产生缩回和穿孔。但由于软骨不同于软骨膜、筋膜或鼓膜的振动行为，声学特性很难满足需求。德国德雷斯顿工业大学的MichaelGelinsky教授团队在AdvancedHealthcareMaterials上发表了“BiomimeticTympanicMembraneReplacementMadebyMeltElectrowriting”，文章利用熔融近场直写技术，成功制造仿生鼓膜替代物，同时具备良好的机械和声学特性，并且促进上皮层的生长。
鼓膜具有特殊形状，作为最关键的参数，天然鼓膜的厚度平均在μm左右，如Figure1（A-B）。传统挤出式3D打印制造的薄膜厚度更大，无法满足振动特性。而静电纺丝薄膜在保证最佳振动性能的前提下，力学性能则无法达标。熔融近场直写作为结合了两者特点的新型制造技术，具有更高的制造精度与设计自由度，可以制造具有天然鼓膜类似的纤维取向与厚度的替代物，能模仿结构和声学特性，提高鼓膜重建的稳定性。研究首先测试了天然鼓膜的力学与振动特性，考虑到近场直写薄膜具有微孔洞，无法使用静态气压测量，所以采用机械压头测定，结果如Figure1（C-D）。
图1天然鼓膜和近场直写打印的仿生鼓膜支架
Figure1（E-F）证明了近场直写可以制造鼓膜的类似结构，但需要研究几个参数，如纤维直径、层数、层间取向和纤维间距的影响。为了系统地研究这些支架参数对力学和振动行为的影响，研究人员选择了一种结构简单的线性纤维平面膜的设计。这样的膜更容易制造，利于评估。在实验设计中，采用了10、15μm两种直径；4、6、8三种层数；45°、90°两种纤维取向；以及、50μm两种纤维间距。制造过程与结果如Figure。
图近场直写打印过程与结果
近场直写薄膜的力学特性如Figure3，对厚度的研究总体上表明了预期的结果，厚度的增加会导致更高的抗弯刚度。当通过组合不同纤维直径的不同层数(4层15μm厚度，6层10μm厚度)来获得相同的总厚度时，带有6层的样品表现出更高的抗弯刚度。总体而言，对支架力学性能影响最显著的是层层间的纤维取向和支架的总体厚度。通过改变纤维间距和纤维直径，力学性能可以进行微调。此外，打印支架的三种弯曲刚度与人类天然鼓膜的两种弯曲刚度相当，而不需模仿胶原的纤维结构。
图3不同支架设计的力学响应
薄膜的声学特性如Figure4，总体而言，支架厚度的增加对频响函数的影响与支架参数相孤立。与层数相比，光纤直径对频响的增加起主要作用。纤维间距为50μm的支架，与μm的支架相比，90°支架的频响有所增加。与弯曲刚度相比，纤维间距为和50μm的45°支架的频散系数差异并不明显。
图4不同参数支架的声学特性检测
由于4L45°d10w50设计在振动测量方面表现出了最佳的依从性，而且制造速度很快，因此被选中进行进一步的生物学研究。I型胶原是在人鼓膜急性愈合期、鼓膜切开术和感染后分泌的主要细胞外基质成分，因此研究选择I型胶原对打印的薄膜进行涂覆。I型胶原的加入不仅封闭了近场直写膜的微孔，还提高了复合结构的力学强度，如Figure5。
图5支架上涂覆胶原对力学与声学特性的影响
由于孔隙的密封，与无胶原蛋白支架相比，传输流量的频率得到了提高。天然鼓膜与胶原涂覆近场直写膜的振动图像如Figure6。考虑到制造和测量过程的不同，可以调整支架的参数结构，使其表现出类似于天然鼓膜的振动行为。
图6天然鼓膜与仿生鼓膜在三种振动模式下的对比
细胞学实验首先研究了胶原对细胞粘附与增殖的影响，如Figure7（A-B），结果表明胶原密封支架具有更高的初始角化细胞粘附。相比之下，由于纯支架的可定植表面积明显较低，无胶原蛋白PCL支架的初始附着细胞数量明显较少。第7天和第14天的照片显示细胞开始连接微孔。SEM图片（Figure7C）证实了荧光染色的结果。
研究通过细胞溶解后定量测定细胞内乳酸脱氢酶(LDH)活性，定量评价细胞生长情况(Figure7D)。结果显示胶原涂覆支架和无胶原支架在第1天的初始细胞数量上有显著差异。与第7天相比，胶原蛋白涂层支架的细胞数量在第14天较低，这表明在第7天左右角质形成细胞的融合。因此，胶原蛋白的存在可促进细胞的生长和增殖，并可通过胶原蛋白的交联进一步促进细胞的生长和增殖。
图7人角质形成细胞在仿生鼓膜上的粘附、活性和增殖情况
综上，本研究通过新型的熔融近场直写技术，首次制造高度组织和生物可降解的仿生鼓膜。对不同纤维成分的支架设计进行了力学和声学分析。结果表明，通过对纤维的取向、直径和层数进行定制，可以满足鼓膜的性能要求。涂覆的胶原可以对薄膜微孔进行密封，同时保持良好的机械和声学特性。所测得的特性有利于植入，与人类鼓膜的特性密切匹配，并且支持新上皮层的生长。这证明了使用近场直写制造仿生鼓膜替代物的可能性。
--长按
