熔融靜電打印定制化纖維結(jié)構(gòu)促進(jìn)心肌組織的形成

供稿人:李芝 賀健康

冠心病（IHD）和心臟衰竭（HF）仍然是全球發(fā)病率和死亡率的主要原因。隨著組織工程的發(fā)展，科學(xué)研究人員希望采用活的功能性組織來(lái)修復(fù)IHD和HF患者受損的心肌，但是如何重建自然心肌的纖維組織和力學(xué)行為對(duì)研究者而言是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

目前，荷蘭烏德勒支大學(xué)和德國(guó)維爾茨堡大學(xué)研究學(xué)者聯(lián)合設(shè)計(jì)一種六邊形可伸縮超微纖維支架，該支架可以明顯的改善薄膜的平面內(nèi)雙軸拉伸性能，并且具有良好的柔性，而這種柔性也可以通過(guò)改變六邊形單元的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。值得注意的是該支架的切向模量大于報(bào)道的心肌組織切向模量，但這可以通過(guò)降低纖維直徑來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1 熔融靜電打印六邊形支架的示意圖及六邊形支架實(shí)物圖

為了制造功能性心臟補(bǔ)片，該團(tuán)隊(duì)在纖維支架上接種了1.6×106個(gè)心肌細(xì)胞，并將支架放在膠原基水凝膠中，第一天細(xì)胞的存活率超過(guò)90%，細(xì)胞均勻分布在支架上并且心肌細(xì)胞在單細(xì)胞水平上出現(xiàn)自發(fā)收縮；第七天細(xì)胞連接形成與纖維支架平行的六邊形三維結(jié)構(gòu)，同時(shí)心肌細(xì)胞可以在支架上實(shí)現(xiàn)同步收縮，這表明細(xì)胞出現(xiàn)了電生理耦合現(xiàn)象。

此外，由于部分心臟受損患者不適合開(kāi)胸手術(shù)，需要微創(chuàng)手術(shù)進(jìn)行心臟補(bǔ)片治療，本文中設(shè)計(jì)的心臟補(bǔ)片可以在通過(guò)內(nèi)徑較小的導(dǎo)管后快速恢復(fù)原有形狀，并保持其結(jié)構(gòu)的完整性。研究者還在跳動(dòng)的豬心臟上進(jìn)行試驗(yàn)，也具有同樣的效果。

圖2 （A-C）體外模擬微創(chuàng)手術(shù)后心臟補(bǔ)片可以恢復(fù)原有形狀 （D）心臟補(bǔ)片在跳動(dòng)的豬心臟中應(yīng)用及形狀恢復(fù)

利用熔融靜電打印制備的六邊形微結(jié)構(gòu)很好地代表了由膠原纖維等細(xì)胞外基質(zhì)蛋白形成的天然心肌組織的蜂窩狀微結(jié)構(gòu)。但是天然的心肌組織內(nèi)看到的蜂窩狀孔比打印的六邊形纖維更細(xì)、更小，這也是熔融靜電打印的技術(shù)的一種限制。相信不久的未來(lái)通過(guò)改進(jìn)熔融靜電打印設(shè)備及工藝可以制造出纖維更細(xì)、單元更小的心臟補(bǔ)片。

參考文獻(xiàn)：
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 賀健康
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室