导电复合材料在心肌梗死组织工程治疗领域的应(3)
良好的心脏功能需要同步心室收缩,这就要求所制备的心脏支架既可以传播电信号又能使移植细胞和宿主细胞的兴奋性相匹配。HSIAO 等[20]采用静电纺丝技术成功地制备了聚苯胺/聚乳酸-乙醇酸纳米纤维网,经HCl 掺杂使其携带正电荷,促进细胞有序排列并相互黏着形成孤立的细胞簇,间隙连接蛋白Cx 43 的表达增强,介导了每个簇内细胞的同步搏动;而通过电刺激又使各孤立簇的收缩耦合在一起,最终实现了受损心脏中植入细胞和宿主心肌之间的电耦合,确保心脏同步舒缩。聚-3-氨基-4-甲氧基苯甲酸是一种羧基官能化聚苯胺,由于独特的自掺杂能力赋予其持续的导电性。将聚-3-氨基-4-甲氧基苯甲酸接枝到明胶上形成的共聚物,与碳二亚胺交联制成了一种可注射的导电聚合物水凝胶,体外结果表明其导电性比明胶水凝胶高12 倍左右,且可以通过电流从一个心脏远距离兴奋另一个心脏。将此水凝胶注射到大鼠心肌梗死后瘢痕区,不仅可以改善电脉冲的传播,还使心脏同步收缩[21]。此外,聚-3-氨基-4-甲氧基苯甲酸与明胶结合还被制成了心脏补片,体内、外实验同样证明可以同步心室收缩进而改善心功能[22]。
2.1.3 聚噻吩 同其他材料相比,聚噻吩及其衍生物的研究较少,但其具有较优的导电特性和抗氧化稳定性,同时也有利于细胞的黏附和增殖。聚噻吩是一种π-共轭有机高分子,单体形式下具有丰富的反应活性位点和高氧化电位,结构缺陷多,容易发生过氧化,从而影响其理化性质;而在其芳杂环3/4 位由乙撑二氧取代基取代后形成的聚三噻吩衍生物,结构更为规整,也更加稳定,同时提高了其刚性。此类衍生物因噻吩骨架结构的脆性加之疏水性,使其在形成具有3D结构的微孔材料上具有挑战。海藻酸已被应用到制作水凝胶上,其具有良好的水溶性,但细胞黏附性较差,且由于内部二价阳离子的作用机械强度较低,存在不可控性降解。聚噻吩能够很好地同细胞相黏附,结构稳定,能一定程度上同海藻酸相互弥补。YANG 等[23]首次将聚噻吩同海藻酸相结合,试图利用海藻酸良好的膨胀性将2 种材料混合形成3D 结构的微孔薄膜,从制作工艺上来看制作相对简便,采用了己二酰肼作为交联剂,经氧化还原聚合和相应基团的共价酰胺化交联形成了聚合物。在对聚噻吩/海藻酸不同比例结合而成的聚合物进行测试发现,当两者比例>4 ∶6 时,聚噻吩的加入能够明显改善聚合物的机械性能;当两者比例在7 ∶3时导电性更佳,而无论两者的比例如何,在体外研究中均能够增加棕色脂肪来源干细胞的黏附、增殖及分化。此外,YANG 等[24]将聚(噻吩-3 乙酸)同甲基丙烯酸胺化明胶相结合,采用一步简易法研制出一种均匀导电双网水凝胶,该水凝胶的电导率(≈10-4s/cm)符合天然心脏电传导要求,体内、外实验中证明了导电双网水凝胶可以促进棕色脂肪来源干细胞的存活、增殖和心肌分化,并上调连接蛋白43 的表达。MARáKOVá 等[25]将氧化石墨烯作为涂层包裹聚噻吩,在保证材料的导电特性的同时试图提高材料的生物相容性。聚噻吩-氧化石墨烯、聚吡咯-氧化石墨烯薄膜分别在以铟锡氧化物、石墨烯纸为基质的情况下,通过简单的一步电聚合工艺制备。测试后发现聚噻吩-氧化石墨烯/铟锡氧化物、聚吡咯-氧化石墨烯/铟锡氧化物在电传导上表现更佳,聚噻吩-氧化石墨烯/聚吡咯-氧化石墨烯弥补了石墨烯纸因表面形貌而不适于心肌细胞的增殖、分化,而聚噻吩-氧化石墨烯/石墨烯纸、聚吡咯-氧化石墨烯/石墨烯纸对心肌细胞的细胞相容性有着积极的影响。
2.2 碳纳米材料
2.2.1 石墨烯 石墨烯具有良好的机械强度、导电性和生物活性,但其在溶液中很难悬浮,而它的氧化形式氧化石墨烯在生物介质中能够制备出均匀的水悬浮液,因此被用于组织工程领域[26]。间充质干细胞移植治疗心肌梗死时所出现的植入率低和存活率低的问题一直受到广泛关注,其中最主要的原因是梗死心肌再灌注后所产生的过量活性氧。活性氧一方面可以抑制植入间充质干细胞与病变部位细胞外基质的黏附导致间充质干细胞死亡[27];另一方面通过上调NF-κB 的表达触发外源性凋亡机制[28]。氧化石墨烯具有清除过量活性氧的抗氧化活性,且通过化学还原形成的还原态氧化石墨烯抗氧化能力进一步提高。利用此特性可以减轻巨噬细胞的炎症反应,并诱导M1 型巨噬细胞向M2巨噬细胞极化,促进细胞因子的分泌,减轻纤维化,改善心功能[29]。此外,其表面的官能团还具有吸附细胞外基质蛋白的作用,进而促进细胞黏附到氧化石墨烯,提高了间充质干细胞的存活率。CHOE 等[30]开发了一种还原氧化石墨烯/海藻酸钠微凝胶系统用于递送间充质干细胞,使其免受心肌梗死组织内活性氧的影响而显示出几乎100%的活性。将该凝胶系统在体外与心肌细胞共培养,不仅提高了心肌细胞的存活率和成熟率,而且与间充质干细胞增殖和心脏再生相关的细胞因子表达也增强。体内实验中向梗死区注射含间充质干细胞的微凝胶,不仅改善了心肌梗死后的重塑,还增强了心脏功能。
文章来源:《材料研究学报》 网址: http://www.clyjxbzz.cn/qikandaodu/2021/0301/636.html