西安交通大學李滌塵/賀健康教授團隊開發了一種熔融嵌入3D打印策略,成功實現了對傳統方法難以加工的熱固性彈性體——聚癸二酸甘油酯(PGS)的高精度、自由形制造。利用該方法,團隊與郭保林教授合作研制出與心臟曲面完美貼合的導電彈性補片,該補片不僅能模擬心肌的力學各向異性,更在心肌梗死大鼠模型中展現出卓越的治療效果:通過提供機械支撐、電信號傳導并促進血管生成與免疫調節,有效改善了心臟功能,為無細胞心臟補片的開發提供了新思路。
研究背景與核心思路
心肌梗死會導致心肌細胞不可逆損失和心室不良重構,理想的心臟補片需要具備與原生心肌相匹配的柔韌彈性、足以承受動態變形的疲勞強度、促進電信號同步傳導的導電性,以及與心室表面復雜曲率共形的三維幾何結構。聚癸二酸甘油酯(PGS)因其優異的彈性體和生物相容性而成為理想材料,但其固有的絕緣特性以及復雜的傳統熱固化工藝——預聚物粘度低、缺乏結構穩定性,且需要長時間高溫真空交聯——使得現有3D打印技術難以直接制造出同時滿足力學、電學和幾何學要求的PGS補片。針對這一挑戰,本研究提出了一種熔融嵌入式打印新策略:利用可調流變特性的支撐基質,在打印過程中為PGS預聚物細絲提供臨時支撐,從而實現高保真擠出和原位熱固化,為直接制造功能集成的導電彈性體補片開辟了新途徑。
2025年10月30日,相關論文以“Melt-Based Embedded Printing of Macroscopically-Conformal, Electro-Conductive and Elastomeric Patches for Improved Myocardial Infarction Repair”為題發表在Advanced Materials期刊上。
研究發現
(1)技術突破:實現熔融PGS的嵌入式打印
研究團隊利用熱穩定的支撐基質,成功實現了熔融PGS的穩定打印。他們系統研究了PGS預聚物的流變特性,并通過調控基質屈服應力,克服了細絲斷裂難題,實現了連續、均勻的PGS細絲打印。進一步優化打印參數后,可將打印分辨率提升至微米級別,其最小特征尺寸與屈服應力的關系符合經典的流體不穩定性理論。打印并固化后的PGS細絲表面光滑、截面致密,展現了良好的幾何保真度。
圖1. 熔融嵌入式打印策略與PGS高精度成型
(2)結構穩固:力學性能可調的復雜三維結構
該打印策略能制造出表面光滑、細絲間無縫融合的PGS結構。打印的PGS樣品展現出優異的彈性,斷裂應變超過500%。通過精確控制原位熱固化時間,可在寬范圍內靈活調節其彈性模量等力學性能。此外,該方法還成功打印出包括空心金字塔、懸空螺旋和多層蜂窩支架在內的各種復雜三維結構,充分展示了其在制造復雜幾何形狀方面的強大能力。

圖2. 打印結構的力學性能調控與復雜三維構建
(3)功能集成:研制貼合心曲面的導電補片
團隊通過共價接枝將碳納米管整合入PGS骨架,解決了易團聚和打印堵塞的難題,制備了分散均勻、可打印的PGS-CNT導電復合材料。隨著CNT含量增加,復合材料在保持高彈性的同時,模量和電導率顯著提升,且降解速率可控。基于大鼠心臟的三維模型,團隊設計并打印出曲率自適應的導電心臟補片。通過有限元分析優化蜂窩結構參數,使補片在橫/縱方向上呈現出與天然心肌相匹配的力學各向異性。

圖3. 導電PGS-CNT復合材料制備與仿生心臟補片設計
(4)體外驗證:導電補片促進心肌細胞成熟與同步搏動
體外細胞實驗表明,與純PGS相比,在PGS-CNT導電補片上的心肌細胞肌節排列更整齊,間隙連接蛋白表達更高,成熟相關基因顯著上調。更重要的是,PGS-CNT補片上的心肌細胞表現出同步、規律的鈣瞬變和更高的自發搏動頻率,并且能更好地響應外部電刺激,證明了導電網絡對心肌電生理功能成熟的顯著促進作用。

圖4. 導電補片促進心肌細胞成熟與電同步化
(5)體內治療:導電補片有效恢復心臟功能
在大鼠心肌梗死模型中,植入無細胞的PGS-CNT導電補片后,其心臟功能得到顯著改善和恢復。超聲心動圖顯示,PGS-CNT組能有效防止心室擴張,并顯著維持較高的左心室射血分數。大體觀察顯示補片與心臟貼合良好,組織切片分析進一步證實,PGS-CNT組梗死面積最小,梗死區心室壁最厚,并有效抑制了心肌細胞的病理性肥大。

圖5. 導電補片有效恢復心肌梗死后的心臟功能
(6)協同修復:促進血管生成與調節免疫微環境
深入的研究揭示了補片促進修復的協同機制。植入后,PGS-CNT補片顯著促進了梗死區域的血管生成,特別是形成了更多成熟的微動脈。同時,導電補片更好地保護了梗死區域內存活的心肌組織,并巧妙地調節了免疫反應,促使巨噬細胞從促炎的M1型向促修復的M2型極化,為心臟修復創造了有利的微環境。

圖6. 補片植入促進梗死區的功能血管生成

圖7. 補片增強心肌留存并調控免疫微環境
總結展望
本研究發展了一種通用的熔融嵌入打印策略,攻克了熱固性彈性體高精度3D打印的難題,并成功應用于制備集解剖結構匹配、力學各向異性模擬與電導率集成于一體的高性能無細胞心臟補片。這種補片通過機械支撐、電傳導、促血管化和免疫調節的多重協同作用,實現了對心肌梗死的有效修復,展現了巨大的臨床轉化潛力。
論文題目:Melt-Based Embedded Printing of Macroscopically-Conformal, Electro-Conductive and Elastomeric Patches for Improved Myocardial Infarction Repair
原文鏈接:https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202512137
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