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图. 超取向碳纳米管薄膜引导心肌细胞取向生长并降低心肌组织电生理异质性
在国家自然科学基金项目（批准号:81530015)等资助下，上海交通大学李毅刚教授团队与复旦大学彭慧胜教授团队合作，提出并构建一种基于取向碳纳米管材料的新型心脏补片，研究成果以“Superaligned Carbon Nanotubes Guide Oriented Cell Growth and Promote Electrophysiological Homogeneity for Synthetic Cardiac Tissues（超取向碳纳米管薄膜引导心肌细胞取向生长并降低心肌组织电生理异质性）”为题，于2017年10月11日在线发表在国际著名材料学期刊Advanced Materials（《先进材料》）。李毅刚教授与彭慧胜教授为该论文的共同通讯作者，上海交通大学的任婧博士和徐全福博士为共同第一作者。论文链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201702713/full。
心肌梗死是人类健康的主要“杀手”之一。成年心肌细胞损伤坏死后，逐渐被纤维瘢痕组织所替代。新形成的纤维瘢痕，一方面导致心室重塑和心力衰竭；另一方面，导致心肌梗死区域电生理异质性增加，加重心脏收缩不同步所引起的心衰，并易诱发致命的恶性心律失常甚至猝死。目前临床所采用的治疗方法（包括药物、溶栓治疗、介入治疗、冠状动脉旁路手术），尽管能够延缓心室重构，改善心功能，但无法从根本上修复受损心肌阻断病程的进展，因此人们正努力寻找新的治疗手段。
心脏组织工程是一种具有良好应用前景的修复梗死心肌的方法。它通过体外培育心肌组织，来移植替代受损部位，实现心脏结构和功能的恢复。然而，当前的心脏补片尚难以完全模拟天然心肌的取向分层结构、电信号的快速传导与心肌同步收缩。碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管端封口）的一维量子材料，主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。李毅刚教授和彭慧胜教授研究团队提出假设，将每一根碳纳米管都依其一维方向取向排列，则更有利于发挥碳纳米管本身管状结构的独特性能，并能模拟心肌取向结构。研究发现，利用干法纺丝技术制备的高度取向碳纳米管薄膜（Superaligned Carbon Nanotube Sheets，SA-CNTs），具有质量极轻、柔韧性及自支撑性良好、表面多孔粗糙、导电性优异及纳米尺度上的可调控等优点（见上图）。在体外采用SA-CNTs作为骨架培养心肌细胞，不仅能诱导心肌细胞取向生长，为互相孤立的心肌细胞簇提供有效的信号传导通路，同时在电刺激的辅助作用下，还能增加邻近心肌细胞间连接蛋白CX43的表达，实现SA-CNTs上心肌细胞的同步收缩。此外，SA-CNTs能降低单个心肌细胞不同搏动间和不同心肌细胞间的复极离散度，这对工程化心肌组织的正常搏动节律至关重要，并有减少心肌梗死相关心律失常发生的潜力。该研究团队进一步构建基于取向碳纳米管薄膜的单片式柔性电极，并演示其多点同步起搏功能。以上研究表明，基于取向碳纳米管薄膜的心脏补片在心脏再同步化治疗中，尤其针对心梗后心脏衰竭患者，具有良好的应用前景。