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 【摘要】

在心肌組織工程的發(fā)展中非常需要同時(shí)制造可拉伸和導(dǎo)電的水凝膠支架，并且也非常具有挑戰(zhàn)性，尤其是具有各向異性的導(dǎo)電特性。現(xiàn)有的各向異性策略僅限于特定的納米材料，或者很耗時(shí)。最近，清華大學(xué)梁瓊麟教授團(tuán)隊(duì)提出了一種簡(jiǎn)單且新的拉伸誘導(dǎo)策略，使導(dǎo)電納米管在水凝膠中對(duì)齊。

通過(guò)這種策略，團(tuán)隊(duì)制造了一種新型混合水凝膠，它具有出色的拉伸性，同時(shí)具有出色的各向異性電導(dǎo)率（6 vs 30 S/cm）。混合水凝膠也成功地用作治療性心臟貼片，其誘導(dǎo)培養(yǎng)的心肌細(xì)胞的細(xì)長(zhǎng)細(xì)胞形態(tài)并實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的穩(wěn)定定向傳輸。該貼片成功緩解了大鼠的心肌梗塞。相信這種策略和這種納米復(fù)合水凝膠在組織工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)論文以題為Stretchable and Anisotropic Conductive Composite Hydrogel as Therapeutic Cardiac Patches發(fā)表在《ACS Materials Letters》上。

【主圖導(dǎo)讀】

圖 1. 各向同性導(dǎo)電納米復(fù)合材料的制備。(A) 心肌的排列結(jié)構(gòu)，白色箭頭表示心肌的方向。(B) 具有原位甲基橙摻雜的聚吡咯 (PPy) 納米管通過(guò)氧化高能電子具有自由基陽(yáng)離子。(C) PPy 納米管的 SEM 圖像。(D) 具有不同 PPy 納米管濃度的 PPy 納米管水凝膠 (PNH) 的宏觀照片。(E) 具有不同幾何形狀的 PNH 的數(shù)字圖片。

圖 2. 納米復(fù)合材料的特性。(A) PNHx 的儲(chǔ)能模量 G' 和損耗模量 G'' 的振蕩應(yīng)力依賴性。(B) 具有不同 PPy 納米管濃度的納米復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(C) PPy 對(duì)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠楊氏模量的影響。(D) 具有不同 PPy 納米管濃度的納米復(fù)合材料的電導(dǎo)率。

圖 3. 各向同性導(dǎo)電納米復(fù)合材料的制備。(A) PNH 和 (B) 對(duì)齊的 PPy 納米管水凝膠 (A-PNH) 的代表性共聚焦顯微鏡圖像。(C) PNH 和 (D) A-PNH 的示意圖。(E) PNHs 在加載過(guò)程中的示意圖和 PPy 納米管在不同位置受到的力。

圖 4.拉伸循環(huán)期間的方向分析。(A) 在納米復(fù)合水凝膠上檢測(cè)到兩個(gè)不同的方向。(B) 在拉伸應(yīng)變下不同方向的電導(dǎo)率變化。(C) 具有不同拉伸周期的 PPy 納米管的角分布。(D) -15° 和 15° 之間角分布的百分比。

圖 5. 納米復(fù)合材料作為離體貼劑的演示。(A) 示意圖說(shuō)明納米復(fù)合材料在區(qū)域受損后在組織中定向重新傳導(dǎo)電信號(hào)。白色箭頭表示電信號(hào)的方向和心肌的方向。(B) 離體心肌激發(fā)試驗(yàn)的示意圖。位于未受刺激組織中的三個(gè)記錄點(diǎn)由肌電圖監(jiān)測(cè)，以測(cè)量每次刺激中的動(dòng)作電位幅度。(C) 從肌電圖記錄的動(dòng)作電位幅度。(i) 組織樣本被放置在 PNHs 上作為對(duì)照組。對(duì)于A-PNHs，心肌的方向是（ii）沿著牽引方向和（iii）垂直于牽引方向。使用單向方差分析和 Tukey 事后檢驗(yàn)分析數(shù)據(jù)。

圖 6. 納米復(fù)合材料作為體內(nèi)貼劑的演示。(A) 通過(guò)非接觸法（頂部）和接觸法（底部）測(cè)定的培養(yǎng) 12、24、48 和 72 小時(shí)的心肌細(xì)胞的細(xì)胞活力。(B) A-PNH 指導(dǎo)心肌細(xì)胞 (CM) 的生長(zhǎng)。(C) 大鼠模型在心肌損傷前后和附著 PNHs 或 A-PNHs 后的動(dòng)作電位幅度。

圖 7. 心臟補(bǔ)片手術(shù)植入改善了心肌梗塞后 4 周的心室功能。(A) 7 天后炎癥因子的量化以及 CD3、CD8 和 CD68 測(cè)定。(B-D) 心臟功能通過(guò)縱向超聲心動(dòng)圖 (Echo) 進(jìn)行評(píng)估。(E) MI 后 4 周代表馬森三色染色。(F) MI 后 4 周代表性 HE 染色心臟。

【總結(jié)】

提出了一種簡(jiǎn)單的拉伸誘導(dǎo)策略，使納米管在水凝膠中對(duì)齊。通過(guò)這種策略，團(tuán)隊(duì)制造了一種新型的混合水凝膠，它具有生物相容性、可拉伸性和出色的各向異性導(dǎo)電性。因此，這種水凝膠有望解決組織工程，尤其是心臟組織工程的挑戰(zhàn)。團(tuán)隊(duì)證實(shí)了其作為心肌貼片的應(yīng)用，可誘導(dǎo)細(xì)長(zhǎng)的細(xì)胞形態(tài)培養(yǎng)的心肌細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的穩(wěn)定定向傳輸并減輕心肌梗塞。盡管如此，通過(guò)附加 A-PNHs 用于潛在的臨床應(yīng)用和未來(lái)研究的長(zhǎng)期調(diào)查，可以做更多的工作來(lái)實(shí)現(xiàn)心肌梗死的完全康復(fù)。