最新Science子刊：生物3D打印新突破！用光就能调控心脏组织

来源： EFL生物3D打印与生物制造

在医疗科技飞速发展的当下，生物3D打印组织在心脏治疗领域展现出巨大的潜力，成为众多科研人员聚焦的前沿方向。这种前沿技术能够构建出与天然心肌极为相似的组织，为心脏疾病的治疗开辟了崭新的路径。

然而，生物3D打印组织用于心脏修复治疗时，因缺乏与宿主组织动态交互能力，需外部电刺激调节。但传统电刺激存在诸多弊端：依赖有线传输，操作繁琐且限制设备移动性和灵活性，降低治疗效率与便利性；需侵入性电极放置，会给患者带来痛苦和创伤，有引发感染、出血等并发症风险，长期植入还可能导致组织损伤和炎症反应；还会对细胞造成潜在损伤，干扰细胞正常生理功能，影响细胞生长、分化和代谢，甚至致其死亡，进而影响生物3D打印组织的功能和稳定性，阻碍治疗效果的发挥。

为了克服这些困境，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校余存江（Cunjiang Yu）教授联合哈佛医学院张宇（Yu Shrike Zhang）教授团队，开发了一种新型光电子刺激技术，为解决传统电刺激的问题带来了新的希望。相关研究成果以“Bioprinted optoelectronically active cardiac tissues”为题发表在《Science Advances》上。

关键创新点
创新组织构建：将微太阳能电池集成到生物打印的 GelMA 支架中，创建光电子活性组织，无需电线和基因改造即可实现光调控心脏组织跳动。

安全有效刺激：光刺激能有效调节心肌细胞跳动速率，维持高细胞活力，对心电图形态影响小，为心脏治疗提供新的安全有效刺激方式。

图 1. 光电子活性生物墨水成分及打印过程

研究方法
材料制备：混合 GelMA 与微太阳能电池制备墨水，打印不同结构支架，优化打印参数，并对墨水相关性质进行表征。
体外实验：培养 hiPSC-CMs 和 rCMs，分别与微太阳能电池共培养或接种到支架上，用多电极阵列监测细胞场电位，研究光刺激影响。
体内实验：构建光电子活性组织植入大鼠心脏表面，用绿色 LED 光刺激，记录心电图和心率，评估对心脏跳动的调控能力。

研究结果：材料制备
材料制备涵盖微太阳能电池、光电子活性墨水及支架，为构建光电子活性组织打基础，各材料性质和打印参数符合后续实验要求。
微太阳能电池：在硅片上制造，有典型光伏特性，开路电压约 0.5V ，532nm、100-ms 光脉冲照射下在 DPBS 溶液中产生约 3nA 光电流，制成后用水溶胶带收集存于 DPBS 溶液备用。

光电子活性墨水：GelMA 与微太阳能电池混合而成，配方为 7wt% GelMA、0.25wt% LAP，微太阳能电池密度约 1300 个 /ml 。未交联时存储 / 损耗模量和粘度比纯 GelMA 略高，交联后压缩模量（10.24±2.33kPa）低于对照组（16.59±2.43kPa），6 小时溶胀率增约 1000% ，6 小时加速降解率约 88%。微太阳能电池降解产物硅酸生物相容性好，墨水对光穿透和电位分布影响小。
光电子活性支架：研究打印参数对微太阳能电池分布的影响，确定用 25 号喷嘴、80-μm 微太阳能电池的最佳打印条件（线速度、温度、压力等）。打印的支架结构多样，如模拟心脏结构的支架，可用于后续细胞实验和体内研究，是构建光电子活性组织的有效载体。

图 2. μ- 太阳能电池特性及对心肌细胞的直接刺激

研究结果：体外评估
研究者对光电子活性支架进行体外评估，体外评估围绕生物相容性、调制能力以及对心电图形态影响展开，验证光电子活性支架在心脏治疗应用中的可行性。结果显示其在多方面表现良好，为心脏治疗应用提供支持。

生物相容性评估
细胞活力与形态：经活 / 死染色和荧光显微镜观察，hiPSC - CMs 和 rCMs 在光电子活性支架上 2 周内活力高，hiPSC - CMs 活力始终维持较好，表明支架细胞相容性佳，对细胞存活生长无明显负面影响。

心脏标记物表达：培养 15 天的 hiPSC - CMs 免疫染色显示，肌节 α - 肌动蛋白等心脏特异性标记物正常表达且肌节模式正常，说明支架生物相容性良好，能支持心肌细胞正常发育成熟。

图 3. 光电子活性支架上心肌细胞的活力及心脏标记物的表达

调制能力评估
细胞跳动速率调节：光刺激接种 hiPSC - CMs 的支架，1Hz 刺激四轮后，跳动速率从约 50 次 / 分钟提升到约 60 次 / 分钟；1.2Hz 刺激两轮后，升至约 72 次 / 分钟，较初始提高约 44%，证明支架能有效调节心肌细胞跳动速率。

同步化效果：激活热图显示，多轮刺激下各通道激活时间缩短，心肌细胞跳动更同步，表明支架可增强心肌细胞间电信号传导，促进跳动同步化。

图 4. 光电子活性支架的体外评估

对心电图形态影响评估：分析亚阈值刺激下 ECG 的 QRS 持续时间等参数，发现刺激未引起 ECG 波形形态显著变化，几乎所有通道分析形态特征的 P 值大于 0.05，说明支架调节心肌细胞跳动时，对心脏正常电生理信号干扰小，保证心脏电活动稳定。

研究结果：体内评估
主要探究光电子活性组织对活体大鼠心脏跳动的调控效果，证实其在体内能有效调节心脏跳动且对电生理活动影响小。

心率调控：将光电子活性组织（含微太阳能电池的支架与 rCMs 构成）植入大鼠心脏表面，以约 5Hz 频率刺激，大鼠初始心率约 280 次 / 分钟，刺激约 12 分钟后心率接近 302 次 / 分钟，提升 7.8% 。停止刺激后，心率约 3 分钟内开始下降，最终稳定在约 290 次 / 分钟，表明光刺激下光电子活性组织能有效加速心脏跳动，停止刺激后心率回落。

心电图变化：实验全程记录大鼠心电图，从心电图可清晰看到心率随刺激的变化，与心率变化结果一致，证明光电子活性组织对心脏跳动的调控作用。同时，心电图未出现明显异常变化，说明该组织在调节心脏跳动过程中，对心脏电生理活动无不良影响。

对照实验：将仅含打印 GelMA（无微太阳能电池）并接种 rCMs 的组织植入另一大鼠心脏，以约 6.5Hz 频率刺激，大鼠心脏心率未增加。这凸显微太阳能电池在光电子活性组织调节心脏跳动中的关键作用，只有含微太阳能电池的组织才能实现有效调控。

温度影响：监测发现光刺激过程中组织表面温度虽有升高，但主要因光脉冲结束时热量积累，温度变化对心脏跳动调制无实质影响。

图5. 光电子活性组织在活体大鼠心脏上的评估

挑战与展望
目前研究处于概念验证阶段，面临心肌细胞与光电子活性墨水未共打印、植入组织长期再生及宿主整合情况不明、绿光穿透深度仅约 1mm 等挑战；未来展望实现共打印、探索长期再生与整合、用近红外光或染料增加穿透深度，推动在大动物模型及人类治疗应用，拓展至可植入治疗设备、组织工程和个性化医学领域。