與人體心肌的機械各向異性相匹配的導(dǎo)電心臟支架

供稿人:孟子捷、賀健康
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

心肌支架是一種很有前途的治療心肌梗死的方法。理想的心臟支架應(yīng)當(dāng)和心肌無縫結(jié)合并滿足其拉伸和放松的狀態(tài)。但目前為止，制造一種能滿足人體心肌生物力學(xué)需求的導(dǎo)電支架仍然是一個挑戰(zhàn)。

Trinity College Dublin的研究人員設(shè)計并制作了符合人體心肌力學(xué)的導(dǎo)電心臟支架。通過熔體電動力學(xué)打印技術(shù)（EHD Printing）和可降解聚己內(nèi)酯制造出一種克服傳統(tǒng)方形支架設(shè)計中彈性范圍有限的新性支架 [1]。通過調(diào)整支架的幾何形狀可以很好地控制各向異性的力學(xué)性質(zhì)以適應(yīng)人心肌在舒張和收縮過程中所表現(xiàn)出的張力和應(yīng)力。此外，該研究在支架上原位聚合了聚吡咯(PPy)，使其導(dǎo)電性能接近于報道中的人類心肌的導(dǎo)電性能。

圖 1 消失肋模型及通過EHD printing制作的各向異性支架與傳統(tǒng)方形支架

研究者設(shè)計了消失肋模型如圖1a所示。消失肋模型的單元是從菱形網(wǎng)格中選擇性切除連接肋，設(shè)計參數(shù)主要有菱形內(nèi)部角度θ。旋轉(zhuǎn)是消失肋模型的主要變形機制，彈性網(wǎng)絡(luò)在張力作用下的變形僅僅改變θ角即可實現(xiàn)。比如，拉伸橫向的波紋肋導(dǎo)致的縱向波紋肋的圍繞連接點張開，增加角度θ將增加結(jié)構(gòu)的橫向擴張(圖1b)。當(dāng)卸載時，外折和旋轉(zhuǎn)過程相反(圖1b)。因此通過調(diào)整θ角的大小來控制缺失肋模型的形狀，進(jìn)而可以調(diào)控支架各向異性的力學(xué)性能，以模擬心肌組織各向異性的生物力學(xué)特性。

圖 2 聚吡咯涂層導(dǎo)電心肌支架。

研究人員進(jìn)而通過吡咯(Py)原位化學(xué)氧化聚合獲得導(dǎo)電的心肌支架。方形和各向異性PPy涂層的心肌支架的電流-電壓特性曲線如圖3a所示。這些曲線呈線性關(guān)系，表明在測試電壓(3v)范圍內(nèi)其內(nèi)阻恒定。支架的電導(dǎo)率(2–2.5 S m −1 )高于人類心肌的電導(dǎo)率（≈0.57 S m −1），能夠用于在生物組織間傳到電信號。細(xì)胞實驗的結(jié)果表明相比于未聚合聚吡咯的聚己內(nèi)酯支架，聚合聚吡咯的導(dǎo)電支架具有良好的生物活性，更容易被細(xì)胞所貼附。

綜上所述，該研究提出了一種消失肋模型，通過調(diào)整消失肋模型的設(shè)計參數(shù)可以調(diào)控支架各項異性的力學(xué)性能以符合人體心肌生物力學(xué)特性，并且通過原位聚合導(dǎo)電聚合物聚吡咯實現(xiàn)了生物相容性良好的導(dǎo)電心肌支架制備，有望在未來被用于治療心梗。

參考文獻(xiàn)：
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).