结构仿生与功能化水凝胶的3D打印技术构建宏观尺度人类心脏组织

为解决心脏组织工程中结构仿生与电生理功能复现的难题，研究人员开发了含离子液体(IL)的光敏性PVA基导电水凝胶墨水(PGI)，通过3D打印技术成功构建了具有机械各向异性和电活性的多腔室心脏模型，实现了心肌细胞(CMs)的螺旋/环向排列与成熟，为心血管疾病建模和再生医学提供了创新平台。

　　

心血管疾病是全球致残致死的主要原因，而现有心脏组织模型难以复现天然心脏复杂的结构力学和电生理特性。传统方法如电纺纤维支架仅能诱导单向细胞排列，无法实现多层级仿生结构；水凝胶生物墨水虽能提升3D稳定性，但精确控制组织自组装仍面临挑战。这些局限严重阻碍了功能性心脏组织的构建与应用。

中国国家自然科学基金等项目支持的研究团队在《Biomaterials》发表突破性成果，通过创新性开发导电PGI水凝胶（含PVAMA、GelMA和VPImBF₄离子液体），结合微流控3D打印技术，首次实现了宏观尺度人类心脏组织的仿生构建。该技术成功复制了心室螺旋肌层和心房环向肌层的结构特征，并赋予打印组织机械各向异性和电活性，为心脏疾病建模和器官再生提供了全新解决方案。

关键技术包括：1）光交联水墨配方优化（PVAMA/GelMA/IL复合体系）；2）碱处理纳米晶域调控技术；3）双面微沟槽图案的精密挤出打印；4）人源心肌细胞(CMs)定向培养与功能评估。

材料配方与墨水特性
通过将10% w/v PVAMA（聚乙烯醇甲基丙烯酸酯）、2% w/v GelMA（明胶甲基丙烯酰胺）和5% w/v VPImBF₄离子液体复合，获得兼具导电性（电导率0.8 S/m）和机械强度（弹性模量15-25 kPa）的PGI墨水，其剪切稀化特性支持高分辨率打印。

仿生支架设计与表征
2.5D/3D打印支架成功模拟了心室螺旋排列（扭曲角54°±3°）和心房环向排列特征，空心拉胀结构使轴向拉伸应变达120%。微沟槽图案（沟深50 μm）引导CMs定向排列，收缩力提升3倍。

电生理与收缩功能
螺旋排列模型表现出仿生扭转运动（峰值扭矩0.6 mN·mm），动作电位传导速度达25 cm/s，钙瞬变幅度较传统模型提高200%。四腔室模型实现协调收缩，射血分数模拟值达40%。

讨论与意义
该研究突破了传统组织工程在结构复杂性、电机械耦合和尺寸限制方面的瓶颈：1）首创离子液体增强型水凝胶墨水，实现导电-机械性能协同调控；2）通过仿生几何设计诱导CMs自组织，模拟天然心脏的力学-电生理微环境；3）构建包含腔室、血管和瓣膜的多尺度心脏模型，为药物筛选和器官芯片奠定基础。未来可拓展至神经、肌肉等电活性组织构建，推动再生医学向个性化治疗方向发展。