生物3D打印應(yīng)用 - 電極心肌貼片

，成功打印出具有生命活性的心肌貼片以及心臟類器官模型。當(dāng)時(shí)Tal Dvir課題組從病人體內(nèi)提取出網(wǎng)膜組織，將其一部分去細(xì)胞后制備內(nèi)源性水凝膠，作為打印墨水的基材；將另一部分重編程（Reprogramming），使其重新分化（Differentiation）成心肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞。搭配上述的內(nèi)源性水凝膠和犧牲材料明膠，成功制備出心肌細(xì)胞和血管成型細(xì)胞兩種生物墨水，并在regenHU的生物3D打印機(jī)上成功打印出心肌貼片和心臟類器官。該技術(shù)可幫助具有心臟缺陷的病人替換缺陷組織，減輕病情甚至使病人康復(fù)。

圖1：3D Printing of Personalized Thick andPerfusable Cardiac Patches and Hearts一文的實(shí)驗(yàn)思路

近日，Tal Dvir課題組更進(jìn)一步，又在Advanced Science雜志上發(fā)表了一篇生物3D打印心肌貼片的文章^[2]。在該文章中，作者創(chuàng)新性地在心肌貼片上植入柔軟可拉伸的電路，使得人為向心肌貼片提供電信號(hào)成為可能。
 
為了達(dá)到該目標(biāo)，作者同時(shí)使用三種不同的墨水：心肌細(xì)胞墨水、導(dǎo)電材料墨水和絕緣材料墨水。心肌細(xì)胞墨水與上一篇文獻(xiàn)類似，將心肌細(xì)胞懸浮于含細(xì)胞外基質(zhì)（Extracellular Matrix，ECM）的水凝膠中。導(dǎo)電材料墨水則是將石墨薄片（Graphite Flakes）懸浮于液態(tài)聚二甲硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）中，石墨薄片提供導(dǎo)電性，PDMS則提供類似水凝膠的基材質(zhì)地。絕緣材料墨水為PDMS本身。為了使疏水的PDMS與親水的水凝膠能夠更好地結(jié)合，作者在PDMS中加入了表面活性劑Span 80。
 
空有材料還不夠，其導(dǎo)電性能必須達(dá)到要求。課題組為了獲得最佳電導(dǎo)率，測(cè)試了不同濃度的石墨薄片PDMS懸浮液。由測(cè)試可知，當(dāng)石墨薄片的濃度在45%時(shí)達(dá)到最高電導(dǎo)率，超過0.3 S/cm（圖2）——這一數(shù)值盡管與銅絲仍有一定距離，但石墨薄片的可塑性使得在該文獻(xiàn)中成為較好的選擇。另外，為了適應(yīng)心肌細(xì)胞收縮時(shí)帶來的形變，打印出來的電路必須經(jīng)受住一定次數(shù)和程度的形變。通過力學(xué)測(cè)試可獲知，懸浮有石墨薄片的導(dǎo)電材料墨水在成型后能夠達(dá)到40%以上的延展性，并且能夠承受至少1000次的反復(fù)拉伸和彎曲（圖3）。

圖2：不同石墨薄片濃度下導(dǎo)電墨水的電導(dǎo)率比較

圖3：a）導(dǎo)電墨水打印成八字試塊（Dog-bone-shaped Samples）測(cè)試力學(xué)性能；b）絕緣墨水（PDMS）與導(dǎo)電墨水（Graphite in PDMS）的力學(xué)性能對(duì)比，絕緣墨水的延展性更好，但承受的最大拉力不如導(dǎo)電墨水；c）1000次拉力測(cè)試中的最后10個(gè)循環(huán)的延展性和阻力值；d）1000次彎曲測(cè)試中的最后10個(gè)循環(huán)的延展性和阻力值

得益于這種柔軟可拉伸的電路，醫(yī)護(hù)人員可以從人體外部提供適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)，引導(dǎo)心肌細(xì)胞執(zhí)行相應(yīng)的功能，甚至可以通過給予脈沖式的電流，使該心肌貼片擔(dān)任起搏器的功能，醫(yī)生可以遠(yuǎn)程讓心臟重新開始收縮。

​圖4：帶有電極的心肌貼片（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.