三维打印与熔融电写技术构建可植入增强型心肌补片：突破心肌修复的力学与再生瓶颈

这篇综述创新性地结合体积三维打印（VP）和熔融电写（MEW）技术，开发了一种可植入的增强型心肌补片（RCPatch）。通过多材料设计（PCL基超材料+水凝胶浸润网格），实现了力学性能可调（Ex/Ey/Ez≈9-127 kPa）、细胞浸润（iPSC-CMs）和手术可缝合性，并在大动物模型中验证其止血能力（左心室压81→66 mmHg）。该研究为心肌缺损修复提供了兼具机械支撑与再生潜力的新型解决方案。

　　

摘要

心脏补片修复心肌缺损需满足力学稳定、可缝合且能促进再生等严苛要求。针对临床常用牛心包补片（BPPs）不可降解、易钙化等问题，本研究提出增强型心肌补片（RCPatch）。该补片融合了三维打印超材料与熔融电写（MEW）网格：前者通过体积三维打印（VP）制备的聚己内酯（PCL）支架具有心肌仿生力学特性（各向异性模量9-127 kPa），后者经纤维蛋白水凝胶浸润后实现低渗透性和可缝合性。体外实验显示支架支持心肌细胞（100×10⁶ cells mL^?1）存活与收缩，大动物试验中成功封闭左心室缺损（?8 mm），承受80 mmHg压力并实现血流动力学稳定。

1 引言

心肌梗死（MI）导致的心肌变薄和破裂亟需手术干预，但现有补片（如PTFE、Dacron）无法降解或整合。组织工程心脏补片（EHTs）虽具再生潜力，却因力学强度不足难以用于心室内修复。本研究通过VP-PCL超材料（生成式模型优化）与MEW网格（250 μm孔径）结合，首次实现：① 三维可植入补片设计；② 刚性材料与柔性水凝胶（2 mg mL^?1纤维蛋白）的力学适配；③ MEW网格的防渗漏特性（流速降低5倍至0.5 L min^?1）。

2 结果

2.1 心室内补片设计

RCPatch需满足动态血压（20-120 mmHg）和手术缝合要求。其三层结构包括：MEW网格（1.65 mm厚）阻隔血流，VP超材料（12.1 MPa@37°C）模拟心肌力学，以及iPSC-CMs促进再生（图1）。

2.2 超材料设计与制备

基于图神经网络生成327种桁架超材料，经有限元分析（FEA）筛选26种，最终选定具有心肌仿生特性（E_纵向≈20 kPa，E_周向≈100 kPa）的auxetic（负泊松比）结构。VP打印中优化光引发剂（TPO:TEMPO）比例，解决光衰减问题（图2）。

2.3 心肌组织构建

超材料经纤维连接蛋白预处理后，注入含iPSC-CMs的纤维蛋白水凝胶（10% Matrigel^?）。3天后出现自发收缩（视频S1），免疫荧光显示肌钙蛋白I阳性细胞沿PCL梁定向生长（图3）。细胞毒性检测（LDH/MTT）证实VP-PCL与聚苯乙烯培养皿相当。

2.4 动物植入实验

急性猪模型中，RCPatch成功缝合于左心室缺损处（图5）。术后60分钟内血压从81 mmHg恢复至66 mmHg，无严重出血。循环测试（3600次15%应变）显示MEW网格力学稳定性，流式细胞术检测到红细胞浸润（图S12）。

3 讨论

本研究突破在于：① 生成式设计实现心肌力学匹配；② VP-MEW联用解决渗透性与缝合矛盾；③ 大动物验证心室内应用可行性。未来需改进超材料尺寸（现限单晶胞结构）、优化电生理整合性，并通过长期实验评估降解（PCL）与血管化。

4 实验方法

关键工艺包括：① VP采用含0.816 mg TPO的PCL树脂（250 mJ cm^?2曝光）；② MEW参数（80°C，1 bar气压，3.3 mm喷头间距）；③ iPSC分化使用StemMACS CardioDiff Kit；④ 力学测试（Instron，37°C，1 mm min^?1应变率）。统计分析采用GraphPad Prism（ANOVA，α=0.05）。