供稿人：高靖遠、賀健康 供稿單位：西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室 發(fā)布日期：2025-05-27
心血管系統依靠心肌的收縮功能來維持持續(xù)的血液循環(huán)，從而將氧氣和營養(yǎng)物質輸送到組織。這一關鍵功能取決于左心室中心肌細胞的高度單軸排列，這確保了有效的電信號傳播和同步收縮。人們探索了多種策略來重現天然心肌細胞的單軸排列和相互連接的組織結構。采用靜電紡絲、微加工和3D打印等技術制造的具有微納拓撲結構的支架，能夠提供單軸線索，使心肌細胞沿預設方向排列。然而，這些系統通常僅限于二維平面排列，無法重現心肌細胞正常功能所需的動態(tài)和三維細胞外基質（ECM）微環(huán)境。
西安交通大學Mao Mao等人開發(fā)了一種 InterPore 微纖維晶格，這是一種新型各向異性的電流體動力打印支架，具有縱向互連的孔，可滿足ECM微環(huán)境中電信號傳播的高密度心肌細胞對準和結構連接的雙重要求。微纖維晶格的各向異性結構引導細胞的收縮力，導致纖維蛋白水凝膠重塑為密集的組織結構，其幾何設計允許高密度細胞接種和創(chuàng)建具有高活力的對齊束。該系統可從新生大鼠心肌細胞中生成了心臟組織，實現了具有增強電生理特性的高度互連的細胞束。這一進展凸顯了在功能性心臟修復、藥物研發(fā)和組織工程方面的應用潛力，尤其是在滿足高密度排列和電信號連接的關鍵需求方面。
圖1 展示了采用電流體動力（EHD）打印技術制造了 InterPore 微纖維晶格支架。這種支架設計融合了縱向和橫向的微纖維壁，并采用了一種新型的富含空隙的架構，有助于形成排列整齊、連續(xù)且密集的細胞束。InterPore 微纖維晶格由縱向和橫向微纖維壁相交形成的立方體單元組成。橫向纖維以每組三層微纖維的形式排列，呈現出錯開的“V 形”結構。這種錯開的幾何形狀不僅增強了孔隙間的連通性，還通過在縱向軸上形成連接相鄰孔隙的空隙來確保機械穩(wěn)定性。
圖1 使用InterPore微纖維晶格生成排列和密集的組織的示意圖
為了評估 InterPore 微纖維晶格的結構優(yōu)勢，將其性能與傳統的矩形網狀微纖維晶格作為對照進行了比較。新生大鼠心肌細胞被接種到纖維蛋白水凝膠中，并在 InterPore 和對照微纖維晶格中培養(yǎng)，以評估晶格結構如何影響心臟組織的成熟和功能。培養(yǎng)5天后，InterPore 和對照微纖維晶格中的心肌細胞 自組裝成高度對齊、密集的心臟組織束。然而，收縮功能和電耦合的特異性蛋白的免疫染色分別揭示了兩種設計之間的顯著差異。與對照組相比，InterPore 微纖維晶格內的心臟組織表現出更長、界限分明的肌節(jié)和更高的特異性蛋白表達，表明結構組織更先進，同步收縮的潛力增強。為了評估功能成熟度，測量了鈣瞬變，這反映了協調心臟活動所必需的興奮-收縮耦合。在5秒的成像周期內，對照微纖維晶格中的鈣信號雜亂無章，在不同束中觀察到不協調和不規(guī)則的瞬變，這表明電耦合有限和組織功能受損。相比之下，InterPore 微纖維晶格中的心臟組織顯示出通過排列束傳播的強烈、同步的鈣波，表明電連接性得到改善。
圖2 工程排列心臟組織的結構表征和電生理功能
本文展示了一種通過EHD打印技術開發(fā)的各向異性微纖維晶格，通過將精確的結構控制與仿生纖維蛋白水凝膠重塑相結合，實現了高度對齊、密集的心肌束，并增強了電生理學和機械性能。這種方法在推進疾病建模、藥物篩選和再生療法的應用方面具有巨大潛力，特別是在解決高密度細胞排列、同步收縮和長期組織活力的關鍵需求等方面。