导电性心脏贴片可以重建梗死心肌的电活性微环境，但其修复作用主要依赖于携带的种子细胞或药物。成功的关键是电刺激与导电心脏贴片创造的微环境的有效整合。此外，由于对心脏病患者再入院率高的担忧，远程医疗设备将为成功修复奠定基础。

2024年5月16日，广州医科大学王乐禹及加拿大曼尼托巴大学Malcolm Xing共同通讯在Nature Communications 在线发表题为“E-cardiac patch to sense and repair infarcted myocardium”的研究论文，该研究报道了一种微型自供电仿生三位一体摩擦电纳米发电机，它具有独特的双间隔结构，将能量收集、治疗和诊断结合在一个心脏贴片上。

摩擦电纳米发电机导电心脏贴片改善了梗死心脏的电活动，还可以无线监测到移动设备上的心电信号以进行诊断。来自大鼠心脏的RNA测序分析表明，这种三位一体的心脏贴片在体内主要调控心肌收缩、能量代谢和血管调节相关mRNA的表达。这项研究正在产生一种真正集成了功能性心脏贴片的电刺激和自供电电子护理远程诊断传感器的设备。

心肌的电活动特性使同步电信号传输和有节奏的心跳成为可能。心肌梗死(MI)发生时，由于心肌细胞(CMs)再生能力较弱，梗死心肌出现电活动盲区，导致电生理和结构重构，是心源性猝死的主因。由于目前药物治疗和心脏搭桥手术治疗方法的不足，以及心脏移植供体的稀缺，心肌梗死患者的发病率和死亡率呈上升趋势。在过去的二十年里，模拟心脏成分的心脏贴片(CPs)已经吸引研究人员，作为心肌梗死后心脏修复的一种有前途的策略。

导电CPs (CCPs)可以重建电活性微环境，这在恢复梗死心脏的心脏功能中起着至关重要的作用。可注射性和高导电性 CPs在小型猪梗死心脏的治疗中取得了重大进展。然而，CCPs的广泛应用还存在着重大的障碍：(1)无生物制剂的CCPs在增强电活动改善和恢复心功能方面效率低下，因为目前的CCPs仅仅被认为是细胞和药物的辅助载体；(2)CCPs MI的实时反馈是需要的，而将心电信号监测和有效的CCPs治疗结合起来是非常高的要求。

受心脏组织电活动特性的启发，电刺激(ES)是一种很好的诱导CMs成熟的方法，甚至可以用于减少大鼠心室壁有创电极引起的缺血再灌注损伤后的心肌缺血大小。此外，ES和导电支架的协同作用可以显著改善细胞-细胞耦合和CMs的同步收缩，优于导电支架本身。近年来，一种名为摩擦纳米发电机(TENG)的新型发电机被应用于心血管系统的医疗保健，避免了传统的电池供电刺激装置、复杂的操作和侵入式植入电极。TENG作为一种绿色和无限的电力来源，为生物医学设备或产生电刺激的治疗电极提供电源。TENG供电的指间电极可以促进新生儿CMs的成熟，提高和统一CMs的跳动速率。

植入式TENGs (I-TENG)心脏起搏器在大型动物模型中成功纠正心律失常。另一方面，TENGs的电输出信号，包括开路电压、短路电流和频率，对机械运动和其他刺激高度敏感，使其成为小型化心脏监测系统的优秀候选者。因此，I-TENG已被移植到心脏中用于检测心率和心内膜压。尽管I-TENGs在心脏系统的治疗和诊断方面具有很大的前景，但同时实现心肌梗死修复和诊断的I-TENGs尚未开发出来。此外，用于涉及TENG的心脏愈合系统的治疗电极通常由惰性金属(如金)构成。这些电极材料比心肌硬几个数量级，导致明显的刚度不匹配。此外，需要复杂的表面改性策略来提高TENG的介电层和电极的有效接触面积，这是不可扩展的。因此，作为心肌梗死的贴片治疗和诊断传感器，需要一种可扩展的微型三位一体(3种功能在一个设备中)TENG (TRI-TENG) CCPs，包括CCPs功能、用于无创原位电刺激治疗的自发电功能和实时心电监测功能，但目前尚不存在。

TRI-TENG的制备、表征、作用机理及应用前景（图源自Nature Communications ）

对于心肌梗死的治疗和诊断，在I-TENG CCP设计中，采用聚多巴胺(PDA)修饰的还原氧化石墨烯(rGO)膜作为金属电极的替代品。TRI-TENG CCP (TCP)采用独特的双间隔设计，两个间隔围绕着一个PDA-rGO膜电极对称。第一个间隔位于心肌上，将其作为TRI-TENG的一个组成部分。因此，由第一个间隔片升起的PDA-rGO电极作为产生摩擦电荷的摩擦电极工作，同时作为在心肌上建立电场的治疗电极，避免了对额外治疗电极的需求。第二个间隔层位于PDA-rGO电极的顶部，促进了PDA-rGO与另一个具有更高摩擦电荷能力的摩擦电层的接触和分离。由于静电感应，心肌与PDA-rGO电极之间形成的电势取决于PDA-rGO电极与摩擦电层之间形成的较高电势。

研究人员利用模具铸造赋予叶脉结构，使聚偏氟乙烯(PVDF)摩擦电层具有仿生叶脉结构。叶脉结构和氧化石墨烯电极上的PDA涂层都是受自然启发的表面结构，可以通过经济有效地增加粗糙度和有效接触面积来增强摩擦电效应。TCP展示了心脏贴片、TENG供电电极和传感器作为一个设备的三个方面的统一性。具体来说，TCP有三个功能：(i)作为治疗电极，向梗死组织传递电刺激，促进正常组织和梗死组织之间的电信号传输；(ii)将生物机械能转换为电能；(iii)作为潜在的无线诊断设备。利用电导率和发电机的组合特性，研究人员假设TCP通过增强的电活动重建对迷你猪心肌梗死模型的梗死心脏产生显著的修复作用，超过了最近报道的迷你猪心肌梗死治疗方法的治疗效果。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-48468-x