项目名称：模拟天然心肌组织结构的三维仿生支架的设计、构建及其应用

负责人：郭保林、吴耀彬、王玲

所在学院：前沿科学技术研究院

1.项目简介：

    无论是发达国家还是发展中国家，心脏疾病依然是目前死亡率最高的疾病之一。由于心肌组织的再生能力有限，所以损伤的心肌组织很难进行自我修复和功能性重建，往往会形成无收缩和电传导能力的疤痕组织，对心脏造成更大的负担及进一步的损伤。目前在临床上治疗心脏疾病最有效的方法就是心脏器官移植，但是心脏移植的供体数目十分有限，而且器官排斥的可能性很高，并且受到宗教和伦理的影响，因此心脏移植手术仍然被视为一种高风险非常规的治疗手段。近年来，组织工程与再生医学的发展为心脏疾病的治疗提供了一个新的思路和途径。利用组织工程技术，制备工程化的心脏补片用于心肌损伤修复，或者研发微型心肌组织用来测试心脏疾病药物的疗效，甚至在体外重建一个功能和结构完备的工程化心脏器官来治疗心脏疾病，成为心脏组织工程科学研究的重要目标和前沿领域。然而，如何制备出模拟天然心肌组织三维交错排列及力学各向异性结构的组织工程支架材料仍然是研究的热点和难点。

2.三维心脏组织工程仿生支架的设计和构建：

    根据天然心脏组织的结构特点，本项目利用导电纳米纤维束与光固化水凝胶相结合制备出一种复合型三维仿生支架用于工程化三维心肌组织的构建。采用干湿法静电纺丝技术制备出取向导电纳米纤维束，并将其编织成类似天然心肌组织的交错排列网状结构，同时用水凝胶将多层纳米纤维束网络包裹形成三维复合支架。该纳米纤维束网络-水凝胶复合支架可有效地促进心肌细胞的三维取向生长及成熟，且每一层的纳米纤维束网络可单独控制该层心肌细胞的生长和排列。所包裹的水凝胶不仅为生长在纳米纤维束网络的细胞生长及营养传输提供了一个合适的三维环境，还可实现心肌细胞与内皮细胞的共培养以展示形成血管化心肌组织的可操作性。这种将导电纳米纤维网络与光固化水凝胶结合所制备的复合支架充分模拟了天然心肌组织的三维多层结构特点，展现了其在心肌组织的修复和再生的应用潜力和广阔前景。

3.本三维心脏组织工程仿生支架的技术创新性和领先性：

   （1）该纳米纤维束网络-水凝胶复合支架充分模拟了天然心肌的三维结构特点，可有效地促进心肌细胞的三维取向生长及成熟，可单独控制每层心肌细胞的生长方向，为制备功能性三维心肌补片提供了一个新的研究途径；

   （2）血管化是组织再生非常重要的一个环节，本项目利用导电纳米纤维网络与光固化水凝胶相结合的设计展示了该复合支架在形成血管化心肌组织方面的可操作性，为工程化的心肌补片提供了临床应用的可能性；

   （3）利用该三维仿生支架还可用于研发体外微型心肌组织，并将其用于测试心脏疾病药物的治疗效果，可以大大缩短心脏疾病相关药物的研发和筛选周期，并大幅度降低药物研发所需费用；

   （4）该三维仿生支架制备所用原料便宜、制备过程简单、制备成本低。

4.市场及效益分析：

    心脏相关疾病仍然是目前世界上死亡率最高的疾病之一。中国是人口大国，随着社会人口老龄化趋势明显，心脏相关疾病给中国带来了前所未有的挑战。目前，心脏疾病的防治在中国已经迫在眉睫，然而临床上的治疗方法仍然十分有限，人们对心脏疾病治疗的新方法和途径需求迫切。本项目所研发的三维仿生支架可以用于研发工程化的三维心肌补片，其具有十分重要的临床应用意义和广阔的市场前景。此外，该三维支架还可用于研发体外微型心肌组织进行测试新型心脏疾病药物的疗效，大大缩短药物的研发和筛选周期，大幅度降低新药研发的相关费用，并为心脏疾病的新型治疗药物争取更大的市场竞争力。

            图1. 天然心肌组织交错排列的三维多层结构以及模拟天然心肌的组织工程支架设计构想。

图2.利用导电纳米纤维束与光固化水凝胶相结合制备出的复合型三维仿生支架用于工程化三维心肌组织的构建。