与人体心肌的机械各向异性相匹配的导电心脏支架

供稿人:孟子捷、贺健康
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室　

心肌支架是一种很有前途的治疗心肌梗死的方法。理想的心脏支架应当和心肌无缝结合并满足其拉伸和放松的状态。但目前为止，制造一种能满足人体心肌生物力学需求的导电支架仍然是一个挑战。

Trinity College Dublin的研究人员设计并制作了符合人体心肌力学的导电心脏支架。通过熔体电动力学打印技术（EHD Printing）和可降解聚己内酯制造出一种克服传统方形支架设计中弹性范围有限的新性支架 [1]。通过调整支架的几何形状可以很好地控制各向异性的力学性质以适应人心肌在舒张和收缩过程中所表现出的张力和应力。此外，该研究在支架上原位聚合了聚吡咯(PPy)，使其导电性能接近于报道中的人类心肌的导电性能。

图 1 消失肋模型及通过EHD printing制作的各向异性支架与传统方形支架

研究者设计了消失肋模型如图1a所示。消失肋模型的单元是从菱形网格中选择性切除连接肋，设计参数主要有菱形内部角度θ。旋转是消失肋模型的主要变形机制，弹性网络在张力作用下的变形仅仅改变θ角即可实现。比如，拉伸横向的波纹肋导致的纵向波纹肋的围绕连接点张开，增加角度θ将增加结构的横向扩张(图1b)。当卸载时，外折和旋转过程相反(图1b)。因此通过调整θ角的大小来控制缺失肋模型的形状，进而可以调控支架各向异性的力学性能，以模拟心肌组织各向异性的生物力学特性。

图 2 聚吡咯涂层导电心肌支架。

研究人员进而通过吡咯(Py)原位化学氧化聚合获得导电的心肌支架。方形和各向异性PPy涂层的心肌支架的电流-电压特性曲线如图3a所示。这些曲线呈线性关系，表明在测试电压(3v)范围内其内阻恒定。支架的电导率(2–2.5 S m −1 )高于人类心肌的电导率（≈0.57 S m −1），能够用于在生物组织间传到电信号。细胞实验的结果表明相比于未聚合聚吡咯的聚己内酯支架，聚合聚吡咯的导电支架具有良好的生物活性，更容易被细胞所贴附。

综上所述，该研究提出了一种消失肋模型，通过调整消失肋模型的设计参数可以调控支架各项异性的力学性能以符合人体心肌生物力学特性，并且通过原位聚合导电聚合物聚吡咯实现了生物相容性良好的导电心肌支架制备，有望在未来被用于治疗心梗。

参考文献：
D. Olvera, M. Sohrabi Molina, G. Hendy, M.G. Monaghan, Electroconductive Melt Electrowritten Patches Matching the Mechanical Anisotropy of Human Myocardium, Advanced Functional Materials (2020).