心脏补丁示意图。图片来源：Nature Materials

最近，以色列特拉维夫大学（Tel Aviv University）的Tal Dvir教授等人在《Nature Materials》报道了一种集成了心脏细胞、灵活独立的电极网格、电活性聚合物控释药物及三维静电纺纳米纤维组织支架的心脏补丁（microelectronic cardiac patch，microECP）。出奇的地方在于它可以实时在线记录组织电学活性，按需为同步细胞收缩提供电刺激，并在组织微环境中时空控制生物化学因子的释放等。（Engineered hybrid cardiac patches with multifunctional electronics for online monitoring ａnd regulation of tissue function. Nature Mater.,2016, 15, 679-685, DOI: 10.1038/nmat4590）

药物控释机理和心脏补丁各组成结构。图片来源：Nature Materials

研究者制备了独立且灵活的金电极网格，并最小化其对组织的影响，电极设计为28个信号记录和刺激电极，4个大的控制药物释放电极。为了增加电极间的连接，采用了上下两层图案化的SU-8薄膜包裹。电极沉积粗糙的氮化钛（TiN）层用来增加比表面积和细胞粘附，并可以通过空间卷曲和折叠形成密集的空间三维检测电极网。

控释电极表面使用了两种电活性聚合物，并借助电学信号刺激智能开关（on/off）实现了蛋白/药物的可控释放：一种是带负电荷的软骨素-4-硫酸盐凝胶，它可以储存和释放含有阳性电荷的蛋白质（如溶菌酶）。溶菌酶通过平衡溶胀负载到水凝胶的曲折孔隙中；添加电极信号刺激后，水凝胶收缩，负电荷被中和，导致带正电的蛋白质的释放。一种是聚吡咯（PPy），它可以负载和释放含有阴性电荷的小分子物质（如地塞米松）。吡咯单体氧化并结合带负电荷的药物地塞米松；当聚吡咯减少时，聚合物和药物之间的静电作用键断裂，导致药物的释放。

研究者还采用多孔结构的聚己内酯-明胶静电纺纳米纤维（平均直径280nm左右）模仿自然心脏基质中的肌内膜纤维，可以允许细胞穿透并接触到记录/刺激电极，并有利于释放的药物或蛋白扩散到细胞微环境。接种心肌细胞到纤维支架，并整合到基质膜上，层与层之间也很容易渗透氧气，可以形成一个4毫米厚的三维心脏补丁。将多通道适配器、前置放大器和心脏补丁有效连接可以实现数据收集和可视化。

远程控制心脏补丁功能。图片来源：Nature Materials

仿生心脏补丁将电子元器件融合到工程类智能组织中。它不仅能够远程监测心肌细胞的电学信号，同时向外传输并提供精准的心肌细胞功能数据，并且能够按需提供电刺激和控制释放治疗药物。因此，它是心脏生理和疾病研究领域的重大突破，未来有望为心脏移植的患者提供一个有效的替代方案。未来也可以实时监测和报告患者的健康状况并为医生进行远程指导治疗提供更多参考依据。