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生物3D打印应用 | 电极心肌贴片

发布日期:2021/11/11 13:45:51


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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