早在两年前，Tal Dvir课题组就曾在Advanced Science杂志发表重磅论文[1]，成功打印出具有生命活性的心肌贴片以及心脏类器官模型。当时Tal Dvir课题组从病人体内提取出网膜组织，将其一部分去细胞后制备内源性水凝胶，作为打印墨水的基材；将另一部分重编程（Reprogramming），使其重新分化（Differentiation）成心肌细胞和内皮细胞。搭配上述的内源性水凝胶和牺牲材料明胶，成功制备出心肌细胞和血管成型细胞两种生物墨水，并在regenHU的生物3D打印机上成功打印出心肌贴片和心脏类器官。该技术可帮助具有心脏缺陷的病人替换缺陷组织，减轻病情甚至使病人康复。
图1：3D Printing of Personalized Thick andPerfusable Cardiac Patches and Hearts一文的实验思路
近日，Tal Dvir课题组更进一步，又在Advanced Science杂志上发表了一篇生物3D打印心肌贴片的文章[2]。在该文章中，作者创新性地在心肌贴片上植入柔软可拉伸的电路，使得人为向心肌贴片提供电信号成为可能。
为了达到该目标，作者同时使用三种不同的墨水：心肌细胞墨水、导电材料墨水和绝缘材料墨水。心肌细胞墨水与上一篇文献类似，将心肌细胞悬浮于含细胞外基质（Extracellular Matrix，ECM）的水凝胶中。导电材料墨水则是将石墨薄片（Graphite Flakes）悬浮于液态聚二甲硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）中，石墨薄片提供导电性，PDMS则提供类似水凝胶的基材质地。绝缘材料墨水为PDMS本身。为了使疏水的PDMS与亲水的水凝胶能够更好地结合，作者在PDMS中加入了表面活性剂Span 80。
空有材料还不够，其导电性能必须达到要求。课题组为了获得较佳电导率，测试了不同浓度的石墨薄片PDMS悬浮液。由测试可知，当石墨薄片的浓度在45%时达到较高电导率，超过0.3 S/cm（图2）——这一数值尽管与铜丝仍有一定距离，但石墨薄片的可塑性使得在该文献中成为较好的选择。另外，为了适应心肌细胞收缩时带来的形变，打印出来的电路必须经受住一定次数和程度的形变。通过力学测试可获知，悬浮有石墨薄片的导电材料墨水在成型后能够达到40%以上的延展性，并且能够承受至少1000次的反复拉伸和弯曲（图3）。
图2：不同石墨薄片浓度下导电墨水的电导率比较
图3：a）导电墨水打印成八字试块（Dog-bone-shaped Samples）测试力学性能；b）绝缘墨水（PDMS）与导电墨水（Graphite in PDMS）的力学性能对比，绝缘墨水的延展性更好，但承受的最大拉力不如导电墨水；c）1000次拉力测试中的最后10个循环的延展性和阻力值；d）1000次弯曲测试中的最后10个循环的延展性和阻力值
得益于这种柔软可拉伸的电路，医护人员可以从人体外部提供适当的电信号，引导心肌细胞执行相应的功能，甚至可以通过给予脉冲式的电流，使该心肌贴片担任起搏器的功能，医生可以远程让心脏重新开始收缩。
图4：带有电极的心肌贴片（比例尺：2 mm）
[1] Nadav N, Assaf S, Reuven E, et al. 3D Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts[J]. Advanced Science, 2019, 6, 1900344
[2] Asulin M, Michael I, Shapira A, et al. One Step 3D Printing of Heart Patches with Built-In Electronics for Performance Regulation[J]. Advanced Science, 2021, 8, 2004205.
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