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西安交大李滌塵/賀健康教授團隊 Adv. Mater.：突破熱固性彈性體3D打印難題→實現心梗修復

2025-11-04 來源：高分子科技

西安交通大學李滌塵/賀健康教授團隊開發了一種熔融嵌入3D打印策略，成功實現了對傳統方法難以加工的熱固性彈性體——聚癸二酸甘油酯（PGS）的高精度、自由形制造。利用該方法，團隊與郭保林教授合作研制出與心臟曲面完美貼合的導電彈性補片，該補片不僅能模擬心肌的力學各向異性，更在心肌梗死大鼠模型中展現出卓越的治療效果：通過提供機械支撐、電信號傳導并促進血管生成與免疫調節，有效改善了心臟功能，為無細胞心臟補片的開發提供了新思路。

研究背景與核心思路

心肌梗死會導致心肌細胞不可逆損失和心室不良重構，理想的心臟補片需要具備與原生心肌相匹配的柔韌彈性、足以承受動態變形的疲勞強度、促進電信號同步傳導的導電性，以及與心室表面復雜曲率共形的三維幾何結構。聚癸二酸甘油酯（PGS）因其優異的彈性體和生物相容性而成為理想材料，但其固有的絕緣特性以及復雜的傳統熱固化工藝——預聚物粘度低、缺乏結構穩定性，且需要長時間高溫真空交聯——使得現有3D打印技術難以直接制造出同時滿足力學、電學和幾何學要求的PGS補片。針對這一挑戰，本研究提出了一種熔融嵌入式打印新策略：利用可調流變特性的支撐基質，在打印過程中為PGS預聚物細絲提供臨時支撐，從而實現高保真擠出和原位熱固化，為直接制造功能集成的導電彈性體補片開辟了新途徑。

2025年10月30日，相關論文以“Melt-Based Embedded Printing of Macroscopically-Conformal, Electro-Conductive and Elastomeric Patches for Improved Myocardial Infarction Repair”為題發表在Advanced Materials期刊上。

研究發現

（1）技術突破：實現熔融PGS的嵌入式打印

研究團隊利用熱穩定的支撐基質，成功實現了熔融PGS的穩定打印。他們系統研究了PGS預聚物的流變特性，并通過調控基質屈服應力，克服了細絲斷裂難題，實現了連續、均勻的PGS細絲打印。進一步優化打印參數后，可將打印分辨率提升至微米級別，其最小特征尺寸與屈服應力的關系符合經典的流體不穩定性理論。打印并固化后的PGS細絲表面光滑、截面致密，展現了良好的幾何保真度。

圖1. 熔融嵌入式打印策略與PGS高精度成型

（2）結構穩固：力學性能可調的復雜三維結構

該打印策略能制造出表面光滑、細絲間無縫融合的PGS結構。打印的PGS樣品展現出優異的彈性，斷裂應變超過500%。通過精確控制原位熱固化時間，可在寬范圍內靈活調節其彈性模量等力學性能。此外，該方法還成功打印出包括空心金字塔、懸空螺旋和多層蜂窩支架在內的各種復雜三維結構，充分展示了其在制造復雜幾何形狀方面的強大能力。

圖2. 打印結構的力學性能調控與復雜三維構建

（3）功能集成：研制貼合心曲面的導電補片

團隊通過共價接枝將碳納米管整合入PGS骨架，解決了易團聚和打印堵塞的難題，制備了分散均勻、可打印的PGS-CNT導電復合材料。隨著CNT含量增加，復合材料在保持高彈性的同時，模量和電導率顯著提升，且降解速率可控。基于大鼠心臟的三維模型，團隊設計并打印出曲率自適應的導電心臟補片。通過有限元分析優化蜂窩結構參數，使補片在橫/縱方向上呈現出與天然心肌相匹配的力學各向異性。

圖3. 導電PGS-CNT復合材料制備與仿生心臟補片設計

（4）體外驗證：導電補片促進心肌細胞成熟與同步搏動

體外細胞實驗表明，與純PGS相比，在PGS-CNT導電補片上的心肌細胞肌節排列更整齊，間隙連接蛋白表達更高，成熟相關基因顯著上調。更重要的是，PGS-CNT補片上的心肌細胞表現出同步、規律的鈣瞬變和更高的自發搏動頻率，并且能更好地響應外部電刺激，證明了導電網絡對心肌電生理功能成熟的顯著促進作用。

圖4. 導電補片促進心肌細胞成熟與電同步化

（5）體內治療：導電補片有效恢復心臟功能

在大鼠心肌梗死模型中，植入無細胞的PGS-CNT導電補片后，其心臟功能得到顯著改善和恢復。超聲心動圖顯示，PGS-CNT組能有效防止心室擴張，并顯著維持較高的左心室射血分數。大體觀察顯示補片與心臟貼合良好，組織切片分析進一步證實，PGS-CNT組梗死面積最小，梗死區心室壁最厚，并有效抑制了心肌細胞的病理性肥大。