生物打印技術近年來在組織工程和再生醫(yī)學領域取得了重要進展，尤其在心臟組織修復方面展現(xiàn)出巨大潛力。盡管生物打印的心臟組織在結構和功能上接近天然心肌，它們往往缺乏與宿主組織的動態(tài)交互能力，難以實現(xiàn)有效的電信號傳導和同步跳動，從而限制了治療效果。為了解決這一局限性，對打印的心臟組織的跳動行為進行電調(diào)控至關重要，助于維持其正常節(jié)律，還能促進其與宿主心臟的同步整合。然而，傳統(tǒng)生物打印組織缺乏自主電信號，必須依賴外部電極進行電刺激，而現(xiàn)有的電極植入方法存在侵入性強、局部組織損傷等問題，限制了其臨床應用。因此，開發(fā)一種能夠自主調(diào)節(jié)心肌細胞電活動的生物打印組織成為研究熱點。

美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校余存江（Cunjiang Yu）教授聯(lián)合哈佛醫(yī)學院張宇（Yu Shrike Zhang）教授團隊以 “Bioprinted optoelectronically active cardiac tissues“為題在Science Advances上發(fā)表最新研究，成功開發(fā)了一種光電活性生物打印心臟組織，通過光電刺激實現(xiàn)無線調(diào)控，為心臟病治療提供了新的可能（圖1）。

圖1. 光電活性生物墨水的組成與打印。結合微型太陽能電池與GelMA進行生物打印，并隨后接種心肌細胞的示意圖。

研究團隊創(chuàng)新性地開發(fā)了一種含微型太陽能電池與明膠甲基丙烯酰（GelMA）的光電活性墨水，并利用該墨水進行三維生物打印，形成不同結構的心臟組織支架。通過優(yōu)化打印參數(shù)，包括噴嘴尺寸、微電池的大小及分布密度，確保了打印結構的穩(wěn)定性和生物相容性。實驗表明，支架中的微電池在光照條件下可產(chǎn)生局部電場，能夠刺激心肌細胞，使其維持正常的電活動。材料測試結果顯示，該生物打印組織可在6小時內(nèi)達到1000%的溶脹率，并在加速降解實驗中保持高達88%的穩(wěn)定性，證明其在體內(nèi)具有良好的降解特性，同時光電活性墨水的電學性能未受交聯(lián)過程的影響。

實驗進一步驗證了微電池在體外對心肌細胞的調(diào)控能力（圖2）。研究人員在多電極陣列系統(tǒng)中培養(yǎng)心肌細胞然后加入微電池，并對其進行光刺激。實驗發(fā)現(xiàn)，心肌細胞的跳動頻率從初始的57 BPM 提升至72 BPM（增加26%），而在相同光刺激條件下，大鼠心肌細胞也展現(xiàn)了類似的節(jié)律增強效果。此外，進一步研究發(fā)現(xiàn)，該光電活性支架可在1 Hz 的光刺激下使心率提升20%，并在1.2 Hz 條件下進一步提升至72 BPM（增長44%）。電生理記錄表明，光刺激未對心電信號的整體形態(tài)造成明顯影響，確保了細胞電活動的穩(wěn)定性，這表明該技術在非侵入式心臟調(diào)控方面具有較高的安全性和可行性。

圖2. 微電池在體外對心肌細胞的調(diào)控能力驗證。

為了驗證光電活性組織在體內(nèi)的可行性，研究團隊在大鼠體內(nèi)進行了實驗，將培養(yǎng)有大鼠心肌細胞的光電活性支架貼附于右心房表面，并進行光刺激（圖3）。實驗顯示，在5 Hz 光刺激下，大鼠的心率從280 BPM 提升至302 BPM（增加7.8%），并在停止刺激后逐漸回落至290 BPM。這一結果證實了微電池在調(diào)控心肌細胞電活動中的關鍵作用，并排除了光照導致組織溫度變化的影響。對照實驗表明，不含微電池的GelMA 組織在相同光刺激條件下未能引起心率變化，進一步證明了光電活性組織在無線心臟調(diào)控中的獨特優(yōu)勢。

圖3. 光電活性組織在活體大鼠心臟上對心臟跳動的調(diào)控。

該研究的突破性成果在于首次實現(xiàn)了利用光電活性生物打印組織進行無線、非侵入式的心臟調(diào)控。該技術不僅避免了傳統(tǒng)電極植入帶來的創(chuàng)傷和炎癥，還為個性化心臟修復提供了新的可能。未來，該方法有望應用于心律失常、心力衰竭等疾病的治療，并擴展至神經(jīng)、肌肉等其他電活性組織的調(diào)控。隨著研究的進一步推進，這一光電活性生物打印組織有望成為再生醫(yī)學和生物電子醫(yī)療領域的重要突破，為心血管疾病患者提供更安全、高效的治療方案。

該文章的通訊作者為美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的余存江教授和哈佛醫(yī)學院張宇（Yu Shrike Zhang）教授。文章的第一作者是余教授課題組成員Faheem Ershad博士 (現(xiàn)為美國休斯頓大學助理教授)，論文共同第一作者為余教授課題組的博士后饒州鋁博士和張宇（Yu Shrike Zhang）教授課題組的Sushila Maharjan博士。其他主要作者包括美國德州心臟研究所的Fernanda C. Paccola Mesquita博士，Ernesto Curty da Costa博士，Angel Moctezuma-Ramirez博士，Camila Hochman-Mendez教授和Abdelmotagaly Elgalad教授，賓夕法尼亞州立大學的練小軍（Xiaojun Lance Lian）教授，以及西湖大學的楊健（Jian Yang）講席教授。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt7210