¿Es posible que una mujer dé a luz a mellizos fraternos que tienen padres diferentes?

Sí, si una mujer ovula, libera varios óvulos y tiene relaciones sexuales con varios hombres, los óvulos pueden fertilizar los óvulos de diferentes parejas. Esto se llama superfecundación heteropaternal.

Extraño pero cierto: los gemelos pueden tener diferentes padres | BabyCenter

Sí. En ocasiones, una mujer humana libera dos huevos en lugar de uno (la causa normal de los gemelos fraternales). Típicamente, si ella tiene relaciones sexuales con un hombre, su esperma fertiliza ambos óvulos. Sin embargo, si ella tiene relaciones sexuales con dos hombres diferentes en un corto período de tiempo, es posible que el esperma de un hombre fertilice un óvulo y el esperma de otro hombre que fertilice el otro.

Esto es raro en los humanos pero sucede:

La mujer da a luz a gemelos con diferentes padres en un caso “raro”

Este caso es de Vietnam, pero también recuerdo un caso de Texas.

Es más común en animales como los perros domésticos, donde una madre libera muchos huevos a la vez para una camada y el apareamiento es más indiscriminado que en los humanos.

Sí, siempre que la madre tenga relaciones sexuales con ambos hombres dentro de las 24 horas de diferencia. Es raro y difícil de lograr, pero es posible.

ETA: Algunos detalles adicionales a lo solicitado.

Los espermatozoides pueden sentarse dentro del cuerpo de una mujer por hasta 24 horas. Al proporcionar el cuerpo de la mujer se han producido 2 óvulos en un ciclo, y ella tiene el esperma de 2 hombres dentro de ella antes de que uno de los dos termine de fertilizar un óvulo; es posible que un espermatozoide de cada hombre fertilice un óvulo, produciendo gemelos fraternos que son genéticamente medio hermanos. Una vez que los óvulos son fertilizados, la matriz comienza a sellarse y ya no pueden entrar más espermatozoides. Todo se reduce a la suerte, la oportunidad y el momento perfecto.

La forma más fácil es pasar por la FIV e implantar 2 huevos fertilizados por 2 padres diferentes, y así aprovechar al máximo la oportunidad.