與人體心肌的機械各向異性相匹配的導電心臟支架

供稿人:孟子捷、賀健康
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

心肌支架是一種很有前途的治療心肌梗死的方法。理想的心臟支架應當和心肌無縫結合并滿足其拉伸和放松的狀態(tài)。但目前為止，制造一種能滿足人體心肌生物力學需求的導電支架仍然是一個挑戰(zhàn)。

Trinity College Dublin的研究人員設計并制作了符合人體心肌力學的導電心臟支架。通過熔體電動力學打印技術（EHD Printing）和可降解聚己內酯制造出一種克服傳統(tǒng)方形支架設計中彈性范圍有限的新性支架 [1]。通過調整支架的幾何形狀可以很好地控制各向異性的力學性質以適應人心肌在舒張和收縮過程中所表現(xiàn)出的張力和應力。此外，該研究在支架上原位聚合了聚吡咯(PPy)，使其導電性能接近于報道中的人類心肌的導電性能。

圖 1 消失肋模型及通過EHD printing制作的各向異性支架與傳統(tǒng)方形支架

研究者設計了消失肋模型如圖1a所示。消失肋模型的單元是從菱形網格中選擇性切除連接肋，設計參數主要有菱形內部角度θ。旋轉是消失肋模型的主要變形機制，彈性網絡在張力作用下的變形僅僅改變θ角即可實現(xiàn)。比如，拉伸橫向的波紋肋導致的縱向波紋肋的圍繞連接點張開，增加角度θ將增加結構的橫向擴張(圖1b)。當卸載時，外折和旋轉過程相反(圖1b)。因此通過調整θ角的大小來控制缺失肋模型的形狀，進而可以調控支架各向異性的力學性能，以模擬心肌組織各向異性的生物力學特性。

圖 2 聚吡咯涂層導電心肌支架。

研究人員進而通過吡咯(Py)原位化學氧化聚合獲得導電的心肌支架。方形和各向異性PPy涂層的心肌支架的電流-電壓特性曲線如圖3a所示。這些曲線呈線性關系，表明在測試電壓(3v)范圍內其內阻恒定。支架的電導率(2–2.5 S m −1 )高于人類心肌的電導率（≈0.57 S m −1），能夠用于在生物組織間傳到電信號。細胞實驗的結果表明相比于未聚合聚吡咯的聚己內酯支架，聚合聚吡咯的導電支架具有良好的生物活性，更容易被細胞所貼附。

綜上所述，該研究提出了一種消失肋模型，通過調整消失肋模型的設計參數可以調控支架各項異性的力學性能以符合人體心肌生物力學特性，并且通過原位聚合導電聚合物聚吡咯實現(xiàn)了生物相容性良好的導電心肌支架制備，有望在未來被用于治療心梗。

參考文獻：
D. Olvera, M. Sohrabi Molina, G. Hendy, M.G. Monaghan, Electroconductive Melt Electrowritten Patches Matching the Mechanical Anisotropy of Human Myocardium, Advanced Functional Materials (2020).