美国近半数成年人患有高血压，其中约十分之一患者对常规药物治疗无效。宾夕法尼亚州立大学（PSU）研究团队开发出一种潜在解决方案：一款柔软的3D打印生物电子装置，可直接附着于人体最关键动脉之一，通过微弱电信号控制血压。

这款名为CaroFlex的装置由工程科学与力学系Wormley Family早期职业助理教授周涛领导团队开发，并在啮齿动物模型上完成测试。研究结果发表于《Device》期刊。该设备由导电水凝胶制成，包裹颈动脉并传递低频电脉冲以降低血压，无需缝合或药物干预。

传统的植入式生物电子设备目前依赖刚性金属和塑料，但这些材料难以适应血管的持续扩张和收缩。这种机械不匹配会导致设备接触随时间退化，并造成周围组织损伤。CaroFlex声称通过加入一层直接粘附在动脉壁上的粘性水凝胶层来解决这一问题。与由刚性金属和塑料制成的传统生物电极不同，CaroFlex在机械性能上能与活体组织相适应，并且由于内置了无毒的粘合层，无需缝合即可附着在组织上。消除缝合步骤解决了传统植入物的一个关键限制：血管自然扩张和收缩对动脉组织造成的逐渐损伤。

“这些设备通常用缝线固定，”宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学助理教授Tao Zhou说。“随着时间的推移，这些缝线可能会对它们所整合的组织造成损伤。”CaroFlex靶向颈动脉窦——这是向头部、面部和颈部供氧的主动脉颈动脉分支为多条小血管的交界处。该区域聚集着压力感受器，这些特化神经末梢能检测动脉拉伸变化并触发人体自然血压调节反射（即压力反射）。该植入物向这些受体传递电脉冲，从而向大脑发出信号以调整心率和血管张力。据宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程助理教授、该研究的首席作者Tao Zhou介绍，该设备被植入这个区域，发出低频电信号刺激这些感受器，从而在不使用药物的情况下调节自主神经系统的反应。

在动物测试之前，研究团队在实验室条件下评估了该设备的物理和电学性能。水凝胶结构在失效前可拉伸至原始长度的两倍以上，粘合层在储存六个月后仍保持稳定性能。在大鼠试验中，团队将CaroFlex植入大鼠模型的颈动脉窦，并连续监测血压十分钟。在测试的五种电频率中，四种产生可测量的血压降低，使平均读数下降超过15%。植入两周后的组织检查显示炎症或免疫反应极小，与传统的铂基电极相比，CaroFlex表现出更一致的组织接触和更稳定的电输出。

“对于许多患者来说，即使服用三到五种药物的组合也无法缓解他们的高血压，”Zhou说。他补充道，对于标准治疗仍无法控制高血压的患者，生物电子疗法可能提供另一条途径。该团队表示，3D打印可能有助于加速针对心血管及其他慢性疾病的个性化生物电子植入物的开发。计划进行进一步工作以完善该设备，然后推进到更大规模的动物研究。研究团队目前正在优化设备并扩大生产规模，然后再推进到人体临床试验。如果结果在人体中得到证实，CaroFlex可能成为耐药性高血压患者的一个可行选择。Zhou本人也强调了这种方法对行业的潜力：“与传统制造方法相比，这种制造方法使我们能够更高效地设计、生产和调整生物电子设备，以用于潜在的临床试验和商业分销。”

Zhou最近领导开发了一种3D打印软脑电极的方法，该电极形状与个体患者独特的表面几何结构相匹配，旨在改善神经退行性疾病的神经监测。CaroFlex问世之际，增材制造正在成为需要植入活体组织的生物电子装置的优选制造方法。麻省理工学院工程师利用导电聚合物3D打印柔软灵活的脑植入物，证明打印的PEDOT:PSS电极能检测自由活动小鼠单个神经元的电信号，研究人员指出，通过打印神经刺激装置有望缓解癫痫、帕金森病和严重抑郁症的症状。这种方法正跨越机构和目标适应症扩散。谢菲尔德大学、圣彼得堡国立大学和德累斯顿工业大学的工程师开发出一种3D打印软生物电子神经植入物，有潜力治疗瘫痪等神经系统损伤。此外，KTH皇家理工学院和斯德哥尔摩大学的研究人员引入了一种方法，利用标准Nanoscribe 3D微打印机简化电化学晶体管的制造流程，消除了对专用洁净室环境的需求，加速了医疗植入物、可穿戴电子设备和生物传感器关键组件的原型制作。

这项研究由多元学者和教员团队协作完成。工程科学与力学博士生Marzia Momin、Salahuddin Ahmed、Jia Sun和Jiashu Ren作为合著者参与，同时包括电子工程博士生Arafat Hossain和机械工程博士生Xinyi Wang。团队还获得研究助理Li-Pang Huang和宾夕法尼亚州立大学医学院肾脏病学副教授Umar Farooq的支持。贡献者还包括目前在密歇根州立大学攻读物理学博士学位的Basma AlMahood，以及密歇根大学心血管医学临床教授John Bisognano。研究获得美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会资助。