西安交大李涤尘/贺健康教授团队 Adv. Mater.：突破热固性弹性体3D打印难题→实现心梗修复

2025-11-04 来源：高分子科技

西安交通大学李涤尘/贺健康教授团队开发了一种熔融嵌入3D打印策略，成功实现了对传统方法难以加工的热固性弹性体——聚癸二酸甘油酯（PGS）的高精度、自由形制造。利用该方法，团队与郭保林教授合作研制出与心脏曲面完美贴合的导电弹性补片，该补片不仅能模拟心肌的力学各向异性，更在心肌梗死大鼠模型中展现出卓越的治疗效果：通过提供机械支撑、电信号传导并促进血管生成与免疫调节，有效改善了心脏功能，为无细胞心脏补片的开发提供了新思路。

研究背景与核心思路

心肌梗死会导致心肌细胞不可逆损失和心室不良重构，理想的心脏补片需要具备与原生心肌相匹配的柔韧弹性、足以承受动态变形的疲劳强度、促进电信号同步传导的导电性，以及与心室表面复杂曲率共形的三维几何结构。聚癸二酸甘油酯（PGS）因其优异的弹性体和生物相容性而成为理想材料，但其固有的绝缘特性以及复杂的传统热固化工艺——预聚物粘度低、缺乏结构稳定性，且需要长时间高温真空交联——使得现有3D打印技术难以直接制造出同时满足力学、电学和几何学要求的PGS补片。针对这一挑战，本研究提出了一种熔融嵌入式打印新策略：利用可调流变特性的支撑基质，在打印过程中为PGS预聚物细丝提供临时支撑，从而实现高保真挤出和原位热固化，为直接制造功能集成的导电弹性体补片开辟了新途径。

2025年10月30日，相关论文以“Melt-Based Embedded Printing of Macroscopically-Conformal, Electro-Conductive and Elastomeric Patches for Improved Myocardial Infarction Repair”为题发表在Advanced Materials期刊上。

研究发现

（1）技术突破：实现熔融PGS的嵌入式打印

研究团队利用热稳定的支撑基质，成功实现了熔融PGS的稳定打印。他们系统研究了PGS预聚物的流变特性，并通过调控基质屈服应力，克服了细丝断裂难题，实现了连续、均匀的PGS细丝打印。进一步优化打印参数后，可将打印分辨率提升至微米级别，其最小特征尺寸与屈服应力的关系符合经典的流体不稳定性理论。打印并固化后的PGS细丝表面光滑、截面致密，展现了良好的几何保真度。

图1. 熔融嵌入式打印策略与PGS高精度成型

（2）结构稳固：力学性能可调的复杂三维结构

该打印策略能制造出表面光滑、细丝间无缝融合的PGS结构。打印的PGS样品展现出优异的弹性，断裂应变超过500%。通过精确控制原位热固化时间，可在宽范围内灵活调节其弹性模量等力学性能。此外，该方法还成功打印出包括空心金字塔、悬空螺旋和多层蜂窝支架在内的各种复杂三维结构，充分展示了其在制造复杂几何形状方面的强大能力。

图2. 打印结构的力学性能调控与复杂三维构建

（3）功能集成：研制贴合心曲面的导电补片

团队通过共价接枝将碳纳米管整合入PGS骨架，解决了易团聚和打印堵塞的难题，制备了分散均匀、可打印的PGS-CNT导电复合材料。随着CNT含量增加，复合材料在保持高弹性的同时，模量和电导率显著提升，且降解速率可控。基于大鼠心脏的三维模型，团队设计并打印出曲率自适应的导电心脏补片。通过有限元分析优化蜂窝结构参数，使补片在横/纵方向上呈现出与天然心肌相匹配的力学各向异性。

图3. 导电PGS-CNT复合材料制备与仿生心脏补片设计

（4）体外验证：导电补片促进心肌细胞成熟与同步搏动

体外细胞实验表明，与纯PGS相比，在PGS-CNT导电补片上的心肌细胞肌节排列更整齐，间隙连接蛋白表达更高，成熟相关基因显著上调。更重要的是，PGS-CNT补片上的心肌细胞表现出同步、规律的钙瞬变和更高的自发搏动频率，并且能更好地响应外部电刺激，证明了导电网络对心肌电生理功能成熟的显著促进作用。

图4. 导电补片促进心肌细胞成熟与电同步化

（5）体内治疗：导电补片有效恢复心脏功能

在大鼠心肌梗死模型中，植入无细胞的PGS-CNT导电补片后，其心脏功能得到显著改善和恢复。超声心动图显示，PGS-CNT组能有效防止心室扩张，并显著维持较高的左心室射血分数。大体观察显示补片与心脏贴合良好，组织切片分析进一步证实，PGS-CNT组梗死面积最小，梗死区心室壁最厚，并有效抑制了心肌细胞的病理性肥大。