综述：基于导电生物聚合物的水凝胶和纤维材料在心脏组织工程中的3D打印和静电纺丝应用

这篇综述系统探讨了3D打印（3D printing）和静电纺丝（electrospinning）技术在构建导电生物聚合物水凝胶（electroconductive biopolymer-based hydrogels）用于心脏组织工程（cardiac TE）中的创新应用，重点分析了导电材料（如聚苯胺/PANi、碳纳米管/CNTs）如何增强心肌细胞（cardiomyocytes）电信号传导与功能成熟，并展望了多技术联用解决心脏修复中血管化（vascularization）和电耦合（electrical coupling）等关键挑战。

　　

心脏组织架构与导电特性

心脏组织的精密结构由心肌细胞（cardiomyocytes）、成纤维细胞（fibroblasts）和细胞外基质（ECM）构成，其中ECM的胶原纤维（collagen）和弹性蛋白（elastin）提供力学支撑，而间隙连接（gap junctions）介导电信号传递。心肌细胞的同步收缩依赖于动作电位（action potential）通过离子通道（如Na⁺
/K⁺
通道）的快速传导，这一特性对工程化心脏组织的电活性设计至关重要。

3D打印与静电纺丝技术的协同应用

3D打印技术如立体光刻（SLA）和挤出式打印（EBB）可构建仿生血管网络，而静电纺丝生成的纳米纤维支架（fiber diameter ≈100–500 nm）能模拟ECM的拓扑结构。例如，聚己内酯（PCL）/丝素蛋白（silk fibroin）复合纤维通过掺入碳纳米管（CNTs）将电导率提升至10^?3
S/m，促进心肌细胞定向排列（alignment >60%）。两项技术的联用（如“三明治”结构：3D打印框架+静电纺丝纤维层）可同时优化机械强度（Young's modulus ≈4–22 MPa）和电生理微环境。

生物聚合物基导电水凝胶的设计

多糖材料如透明质酸（HA）和壳聚糖（chitosan）提供生物相容性，但需与导电聚合物（如聚吡咯/PPy）复合以克服绝缘缺陷。例如，HA/PPy纳米纤维（7% SF, 15:85比例）使心肌细胞收缩幅度提高3倍。蛋白材料如明胶（gelatin）和纤维蛋白（fibrin）通过RGD序列促进细胞粘附，而重组人源弹性蛋白（MeTro）赋予水凝胶≈150%的拉伸性。

导电填料的增效机制

碳基材料中，氧化石墨烯（GO）通过还原成rGO部分恢复sp²
共轭网络，使电导率达7.29 μS/cm。金属纳米颗粒如金纳米棒（GNRs）在凝胶甲基丙烯酰明胶（GelMA）中形成导电通路，同步钙瞬变（Ca²⁺
transients）频率提升40%。值得注意的是，银纳米颗粒（AgNPs）在胶原纤维中八倍提升电导率的同时，还表现出抗菌性（抑菌率>90%）。

挑战与未来方向

当前限制包括导电填料的细胞毒性（如CNTs引发ROS）、长期降解匹配性不足等。新兴策略如“LEGO式”模块化组装（微流控+电刺激）和基因工程重组蛋白（如eADF4(C16)-RGD）有望突破这些瓶颈。临床转化需进一步验证大规模组织（如>1 cm³
）的电机械整合性能。