国家自然科学基金机械工程学科2020年度优秀结题项目（五）
项目负责人：贺健康
Email：jiankanghe@mail.xjtu.edu.cn
项目执行期：2017年1月-2020年12月
依托单位：西安交通大学
项目批准号：51675412
项目简介：
心肌梗死是严重威胁人类生命健康的重大疾病，现有的工程化心肌补片由于缺乏引导细胞分层定向生长的微纳结构及电信号传导能力，从而无法与宿主心肌组织融合生长与同步跳动，严重影响梗死心肌的功能恢复。本项目提出了导电传感心肌支架多材料微纳静电生物3D打印新方法，揭示了静电打印过程电场强度随纤维结构高度增加的递减规律与排斥机制，发明了高精度高活性细胞静电打印新技术；搭建了电刺激与电信号监测一体化体外培养系统，发现了微纳导电纤维结构复合水凝胶引导/约束心肌细胞三维定向生长与同步跳动规律，动物实验验证了微纳导电心肌支架修复心肌梗死的有效性，推动了生物制造从结构支撑类组织向电传导功能化心肌组织制造方向发展。
主要研究进展及创新点：
本项目针对心肌梗死再生修复对微纳导电纤维结构的临床需求，通过医工合作，在多材料微纳静电打印系统搭建、技术原理创新、结构/细胞作用机理、动物实验等方面均取得了研究进展，主要创新如下：
（1）提出了微米生物纤维与亚微米导电纤维复合心肌支架多材料静电打印新方法，揭示了静电打印过程电场强度随纤维结构高度增加的递减规律与排斥机制，实现了直线/曲线微纳米纤维导电心肌支架的三维可控分层打印，显著提高了心肌细胞的定向排布与同步跳动功能；
（2）发明了高精度、高活性细胞/水凝胶静电打印新技术，阐明了心肌细胞复合水凝胶在静电打印微米纤维约束下三维定向生长机理，实现了体外活性心肌组织的长时间高频同步跳动（8天，120次/分钟）；
（3）建立了电刺激与电信号监测功能一体的心肌组织培养平台，揭示了支架纤维形态、导电性及电刺激对体外心肌组织功能表达与同步跳动的影响规律，证明了微纳导电心肌支架对修复动物梗死心肌的积极作用。
图1 电传导心肌支架多材料微纳3D打印与活性组织制造
项目取得的主要研究成果：
（1）研究成果在国际期刊Small（IF=13.281, 2篇）、Biofabrication（IF=10.02, 4篇）、ACS Applied Materials & Interfaces（IF=9.229）、Acta Biomaterialia（IF=8.947）等发表高水平学术论文22篇，其中中科院一区论文14篇；获授权中国发明专利9项。
（2）项目共培养硕士5名、博士3名，其中1人获西安交通大学机械工程学科与香港理工生物医学双博士学位，并获2021年国际Acta Student Awards。
（3）研究成果支持项目负责人以第一完成人获2019年教育部自然科学一等奖、2021年获国家杰出青年科学基金支持；
（4）研发的多材料微纳3D打印技术被中央军委遴选为首批军队后勤开放课题重点项目，用于颅脑海战伤的现场急救修复研究。
团队介绍：
本项目团队依托西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，是在卢秉恒院士和李涤尘教授带领下形成的生物制造多学科交叉研究队伍。团队长期开展生物增材制造技术创新与临床应用探索，自2001年至今逐步实现了增材制造个性化钛合金下颌骨、聚醚醚酮胸肋骨、可降解乳腺填充物等的国际首例临床应用，2014年获国家技术发明二等奖、2015年获首届中国好设计金奖、2019年获教育部自然科学一等奖。团队现有生物制造方向固定研究人员10余人，其中国家级中青年人才计划3人，2019年获批陕西首届高校青年创新团队，2021年牵头获批国家药监局医用增材制造器械研究与评价重点实验室。
编辑：谢雅洁 校对：向映姣
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