负载iPSC来源心肌细胞的拉胀型心脏补片在慢性心肌梗死模型中的体内评估及修复机制研究

为解决心肌梗死后心室重构和功能恢复难题，研究人员通过3D打印技术开发了负载诱导多能干细胞来源心肌细胞(iCMs)的聚己内酯(PCL)拉胀型心脏补片(auxetic patch)。该补片具有负泊松比特性，在慢性心梗啮齿动物模型中证实可抑制心室不良重塑、提高射血分数，并通过促进血管化增强局部再生能力。研究为结合先进材料设计与细胞疗法的下一代心脏修复策略提供了重要依据。

　　

心肌梗死(MI)是全球范围内导致心力衰竭的主要原因，其病理特征为冠状动脉阻塞引发的心肌细胞大量死亡，随后形成的纤维化瘢痕会永久性损害心脏功能。尽管现有临床干预手段如药物和机械再灌注能缓解急性症状，但对慢性心室重构仍缺乏有效治疗策略。更棘手的是，成年心肌几乎无再生能力，这促使科学家们将目光投向组织工程领域——通过结合生物材料支架与再生细胞，构建能同时提供机械支撑和生物学修复的工程化心脏补片(ECPs)。

传统ECPs虽展现出一定疗效，但其正泊松比特性导致在心脏周期性收缩时易发生分层或应力集中。而具有"越拉越胀"特性的拉胀材料(auxetic materials)因负泊松比特性，理论上能更好地适应心肌动态变形。美国研究团队在《Biomaterials》发表的研究中，首次将3D打印的聚己内酯(PCL)拉胀补片与高密度诱导多能干细胞来源心肌细胞(iCMs)结合，系统评估了其在慢性心梗模型中的修复效果。

研究采用三项关键技术：通过多能干细胞定向分化获得具有收缩功能的iCMs；基于有限元分析优化设计四种二维拉胀结构单元；通过大鼠左前降支结扎建立慢性心梗模型，并在炎症消退后、肉芽组织形成前的关键窗口期植入补片。

诱导心肌细胞制备
人类iPSCs经基质胶培养和定向分化后，获得表达心肌特异性标记物（cTnT、α-actinin）的iCMs，其自发收缩频率达60次/分钟，钙瞬变幅度显著，证实具备电生理功能。

拉胀心脏补片设计
通过力学模拟筛选出具有最佳双轴变形特性的切割缺失肋(cut missing rib)结构，其负泊松比(-0.3)与左心室力学环境(200-500 kPa)匹配。3D打印的PCL支架孔隙率>80%，支持iCMs的高密度接种(1×10⁷ cells/cm²)。

体内治疗效果
与无补片对照组和传统非拉胀补片相比，iCMs-拉胀补片组表现出：射血分数提高35%（p<0.01）；心室扩张指数降低42%；组织学显示梗死区血管密度增加2.1倍，且移植iCMs与宿主心肌形成电机械耦联。拉胀结构特有的同步曲率变化使补片-心肌界面剪切应力降低57%，显著减少纤维包裹。

讨论与结论
该研究首次证实：拉胀拓扑结构通过力学传导调节iCMs旁分泌功能，促进血管内皮生长因子(VEGF)的时空释放；其独特的双轴变形行为更贴合心脏曲面运动，解决了传统ECPs的界面剥离难题。专利中的优化结构(US 18/698,693)为后续研究右心室疾病等更复杂病理场景奠定基础。这项融合材料创新与细胞疗法的突破，为临床转化提供了兼具机械适配性和再生功能的新型治疗范式。