熔融静电打印定制化纤维结构促进心肌组织的形成

供稿人:李芝 贺健康

冠心病（IHD）和心脏衰竭（HF）仍然是全球发病率和死亡率的主要原因。随着组织工程的发展，科学研究人员希望采用活的功能性组织来修复IHD和HF患者受损的心肌，但是如何重建自然心肌的纤维组织和力学行为对研究者而言是一个巨大的挑战。

目前，荷兰乌德勒支大学和德国维尔茨堡大学研究学者联合设计一种六边形可伸缩超微纤维支架，该支架可以明显的改善薄膜的平面内双轴拉伸性能，并且具有良好的柔性，而这种柔性也可以通过改变六边形单元的大小进行调节。值得注意的是该支架的切向模量大于报道的心肌组织切向模量，但这可以通过降低纤维直径来进行调节。

图1 熔融静电打印六边形支架的示意图及六边形支架实物图

为了制造功能性心脏补片，该团队在纤维支架上接种了1.6×106个心肌细胞，并将支架放在胶原基水凝胶中，第一天细胞的存活率超过90%，细胞均匀分布在支架上并且心肌细胞在单细胞水平上出现自发收缩；第七天细胞连接形成与纤维支架平行的六边形三维结构，同时心肌细胞可以在支架上实现同步收缩，这表明细胞出现了电生理耦合现象。

此外，由于部分心脏受损患者不适合开胸手术，需要微创手术进行心脏补片治疗，本文中设计的心脏补片可以在通过内径较小的导管后快速恢复原有形状，并保持其结构的完整性。研究者还在跳动的猪心脏上进行试验，也具有同样的效果。

图2 （A-C）体外模拟微创手术后心脏补片可以恢复原有形状 （D）心脏补片在跳动的猪心脏中应用及形状恢复

利用熔融静电打印制备的六边形微结构很好地代表了由胶原纤维等细胞外基质蛋白形成的天然心肌组织的蜂窝状微结构。但是天然的心肌组织内看到的蜂窝状孔比打印的六边形纤维更细、更小，这也是熔融静电打印的技术的一种限制。相信不久的未来通过改进熔融静电打印设备及工艺可以制造出纤维更细、单元更小的心脏补片。

参考文献：
Castilho, Miguel; van Mil, Alain; Maher, Malachy, et al. Melt Electrowriting Allows Tailored Microstructural and Mechanical Design of Scaffolds to Advance Functional Human Myocardial Tissue Formation. Advanced Functional Materials. 2018.

供稿人:李芝 贺健康
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室