德国弗劳恩霍夫应用聚合物研究所（Fraunhofer IAP）与NMI自然与医学科学研究所（NMI Natural and Medical Sciences Institute）的研究人员联合开发了一种多层仿生组织替代物，旨在复制天然人体组织的力学与生物学特性。该材料有望用于人工血管、支架移植物、硬脑膜替代物及人造皮肤等医疗植入领域。

这项研究在德国联邦研究、技术与航天部（BMFTR）资助的PolyKARD项目框架下完成。研究人员构建了三个功能层：致密的聚氨酯丙烯酸酯聚合物薄膜、一个3D打印的波浪状亚结构（用于调控复合材料的力学响应），以及采用NMI自主研发工艺生产的电纺胶原蛋白层。酶学分析与非侵入式光谱分析被用于胶原纤维的质量控制。

解决植入材料开发的共性难题

该设计的核心目标是解决植入材料开发中的一个常见问题——再现软生物组织的非线性应力-应变行为。天然组织在低载荷下较为柔顺，随着应变增加刚度显著提升。Fraunhofer IAP医学应用3D打印技术专家Hadi Bakhshi博士表示：“我们的拉伸测试显示，该材料与天然心包组织表现出非常相似的应变与强度特性。当被拉伸时，波浪状结构伸长，使材料保持柔性；只有在较高应变下，刚度才会突然增加。”

Bakhshi博士与Wolfdietrich Meyer博士共同开发了这种材料及其打印技术。Meyer博士补充道：“通过有意结合结构设计与生物材料，我们可以实现与天然组织非常接近的力学性能。”

生物相容性验证与专利申请

在NMI进行的细胞-材料相互作用研究证实了该材料的生物相容性，细胞毒性测试未显示不良细胞反应。使用人皮肤成纤维细胞和上皮细胞的实验表明，三维纤维网络形态支持细胞粘附与生长。NMI的Hanna Hartmann博士指出：“结果表明，技术材料与生物功能可以被精确地设计和组合成仿生材料。这为开发生物混合植入物开辟了新的可能性。因此，我们已联合为这种组织替代物提交了专利申请。”

应用前景与产业化路径

研究团队认为，该材料概念可转移至多个医学领域，包括人造血管、支架移植物、硬脑膜替代物及人造皮肤等。Meyer博士表示：“我们的开发已达到可转化为具体应用的阶段。下一步是与工业伙伴合作，实现具体产品并将其推向市场。”

业内专家指出，能够同时模拟天然组织的非线性力学行为和生物相容性的植入材料，一直是组织工程领域的追求目标。Fraunhofer IAP与NMI的这项研究通过“聚合物薄膜+3D打印亚结构+电纺胶原”的三层协同设计，展示了工程化仿生材料的可行路径。若成功产业化，有望为心血管、神经外科及皮肤修复等领域的植入物提供更安全、更适配的替代方案。