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心血管系統(tǒng)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(zhì)輸送到組織。這一關(guān)鍵功能取決于左心室中心肌細(xì)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(xiàn)天然心肌細(xì)胞的單軸排列和相互連接的組織結(jié)構(gòu)。采用靜電紡絲、微加工和3D打印等技術(shù)制造的具有微納拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的支架，能夠提供單軸線索，使心肌細(xì)胞沿預(yù)設(shè)方向排列。然而，這些系統(tǒng)通常僅限于二維平面排列，無法重現(xiàn)心肌細(xì)胞正常功能所需的動(dòng)態(tài)和三維細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）微環(huán)境。

西安交通大學(xué)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(dòng)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(xì)胞對準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)連接的雙重要求。微纖維晶格的各向異性結(jié)構(gòu)引導(dǎo)細(xì)胞的收縮力，導(dǎo)致纖維蛋白水凝膠重塑為密集的組織結(jié)構(gòu)，其幾何設(shè)計(jì)允許高密度細(xì)胞接種和創(chuàng)建具有高活力的對齊束。該系統(tǒng)可從新生大鼠心肌細(xì)胞中生成了心臟組織，實(shí)現(xiàn)了具有增強(qiáng)電生理特性的高度互連的細(xì)胞束。這一進(jìn)展凸顯了在功能性心臟修復(fù)、藥物研發(fā)和組織工程方面的應(yīng)用潛力，尤其是在滿足高密度排列和電信號連接的關(guān)鍵需求方面。

圖1 展示了采用電流體動(dòng)力（EHD）打印技術(shù)制造了 InterPore 微纖維晶格支架。這種支架設(shè)計(jì)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(gòu)，有助于形成排列整齊、連續(xù)且密集的細(xì)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(xiàn)出錯(cuò)開的“V 形”結(jié)構(gòu)。這種錯(cuò)開的幾何形狀不僅增強(qiáng)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(jī)械穩(wěn)定性。

為了評估 InterPore 微纖維晶格的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，將其性能與傳統(tǒng)的矩形網(wǎng)狀微纖維晶格作為對照進(jìn)行了比較。新生大鼠心肌細(xì)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(jié)構(gòu)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(xì)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(shè)計(jì)之間的顯著差異。與對照組相比，InterPore 微纖維晶格內(nèi)的心臟組織表現(xiàn)出更長、界限分明的肌節(jié)和更高的特異性蛋白表達(dá)，表明結(jié)構(gòu)組織更先進(jìn)，同步收縮的潛力增強(qiáng)。為了評估功能成熟度，測量了鈣瞬變，這反映了協(xié)調(diào)心臟活動(dòng)所必需的興奮-收縮耦合。在5秒的成像周期內(nèi)，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(xié)調(diào)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(qiáng)烈、同步的鈣波，表明電連接性得到改善。

本文展示了一種通過EHD打印技術(shù)開發(fā)的各向異性微纖維晶格，通過將精確的結(jié)構(gòu)控制與仿生纖維蛋白水凝膠重塑相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高度對齊、密集的心肌束，并增強(qiáng)了電生理學(xué)和機(jī)械性能。這種方法在推進(jìn)疾病建模、藥物篩選和再生療法的應(yīng)用方面具有巨大潛力，特別是在解決高密度細(xì)胞排列、同步收縮和長期組織活力的關(guān)鍵需求等方面。

參考文獻(xiàn)：

1. Mao,?K. Han,?J. Gao,?Z. Ren,?Y. Zhang,?J. He,?D. Li,?Engineering Highly Aligned and Densely Populated Cardiac Muscle Bundles via Fibrin Remodeling in 3D-Printed Anisotropic Microfibrous Lattices.?Adv. Mater.?2025,?37, 2419380. https://doi.org/10.1002/adma.202419380