《Advanced Science》：Engineering a Bioelectronic Hybrid Heart with Integrated Sensing and Electrical Modulation
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心血管疾病（cardiovascular diseases）仍是全球首要死亡原因，这推动了先进治疗策略的发展，包括工程化心脏替代物。研究人员报道了一种生物电子混合心脏（bioelectronic hybrid heart），其将工程化心肌组织与嵌入式的电生理（
心血管疾病（cardiovascular diseases）仍是全球首要死亡原因，这推动了先进治疗策略的发展，包括工程化心脏替代物。研究人员报道了一种生物电子混合心脏（bioelectronic hybrid heart），其将工程化心肌组织与嵌入式的电生理（electrophysiological）传感及刺激能力相集成。利用脱细胞心脏支架（decellularized cardiac scaffold），通过注射诱导多能干细胞来源心肌细胞（iPSC-derived cardiomyocytes）进行细胞再填充，并与载有细胞、经三维打印的细胞外基质（extracellular matrix, ECM）涂层组装，该涂层内封装了定制设计的电子网（electronic mesh）。培养14天后，嵌入电极记录到自发心脏活动，而局域电刺激可影响组织，实现受控频率下的起搏（pacing）。钙成像（calcium imaging）显示了起搏过程中工程化组织内的空间激活。该平台为在工程化心脏构建体中整合实时监测与电子功能调控奠定了基础，并代表了迈向生物电子器官工程（bioelectronic organ engineering）的初步一步。
研究背景与立项依据：心血管疾病导致终末期心衰患者亟需心脏替代方案，但供体器官严重短缺。既往心脏组织工程已能构建心肌补片与部分结构功能近似天然心肌的构建体，但全心脏级工程化仍是再生医学核心难题。脱细胞（decellularization）全心脏支架可保留层级化ECM架构、腔室几何与冠状血管树，但再细胞化后长期成熟与泵功能仍未达成。与此同时，柔性多功能生物电子（bioelectronics）已在组织水平实现记录与刺激，但向全心脏尺度转化面临解剖贴合、三维支架整合与器官级组织形成的挑战。研究人员在《Advanced Science》报道一种将iPSC来源心肌细胞、脱细胞支架、ECM基水凝胶涂层与自由站立柔性电子网集成的生物电子全心构建体，证明嵌入式电极可长期记录自发电活动并以局域刺激实现起搏，钙成像验证空间激活重排，为实时监测与功能调控提供双向接口。
主要关键技术方法：研究以SD大鼠来源原心脏为起点，经冠状灌注脱细胞获得全心脏ECM支架；基于三维心脏模型UV展开生成二维解剖地图，用以指导电子网布局与涂层打印。电子器件采用硅片 sacrificial PMMA层上多层聚酰亚胺-金-聚酰亚胺微加工与光刻释放为超薄自由站立网；水凝胶涂层采用温敏omental ECM挤出式三维打印；细胞化构建通过心肌细胞注射支架壁、载细胞生物墨水打印外层、纤维蛋白界面组装；功能评估依托微计算机断层扫描（micro-CT）、光片荧光成像、超声、钙荧光成像与多通道电生理放大及刺激系统。
研究结果：
1.1 全心脏脱细胞保留天然架构与血管：通过冠状灌注脱细胞，宏观与扫描电镜显示支架透明化且保留左室、室间隔、右室及心房多孔纤维微结构，染料灌注证实冠状血管树连续，为后续混合组装提供结构基础。
1.2 柔性自由站立电子器件设计：基于三维模型展开与收缩相关取向场布置蛇形互连与记录/刺激电极，微加工后器件在释放、拉伸应变与千次循环下电阻稳定，具备贴合心脏表面、耐受搏动的机械适应性。
1.3 混合生物电子心脏组装：将电子网对齐嵌入打印ECM涂层，包覆脱细胞支架形成三层杂交壁结构；显微与micro-CT证实ECM、水凝胶与电子层无缝整合、孔隙连续，细胞注射与载细胞打印后形成有生命活性的杂交心形构建体。
1.4 结构与功能表征：培养14天后免疫荧光显示α-actinin与肌动蛋白条纹化组织包绕电极，超声与光片成像证各层连续无剥离。电极记录到多位点自发场电位（峰值幅度167.0与31.0 μV，信噪比66与30），与钙瞬变同步；局域刺激以1与2 Hz成功捕获起搏，钙激活图显示传播方向与通路重排，实现双向通信。
讨论与结论翻译：研究人员建立的全心生物电子平台将活心肌组织与可感知、可刺激的电子网络集成，电子并非被动存在而是与组织形成紧密功能界面。该工作证明柔性电子可稳定嵌入三维工程器官并保留组织结构与机电功能，支持多区电生理监测与主动调制。当前仍为早期模型，尚需在更大尺度（如不可移植人供心或猪心）、区域化细胞群落、血管化、长期灌流成熟及闭环反馈、多模态传感与局部释药方向拓展。总体而言，本研究为具集成传感与刺激能力的全心脏构建提供结构、生物与电子框架，是生物电子器官工程及增强功能可控性治疗潜力的重要基础步骤。
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