导电复合材料在心肌梗死组织工程治疗领域的应(4)
氧化石墨烯在心脏组织工程中的应用得到了广泛关注,可通过多种技术手段将其加入到天然生物材料中赋予其导电性和表面性质,并进一步改善梗死区心脏的功能。壳聚糖和胶原是被广泛研究的生物相容性材料,有研究在壳聚糖支架中加入氧化石墨烯-金纳米片使材料的导电性提高了近2 倍,并且具有理想的溶胀性和可控的降解性能,植入大鼠心肌梗死模型后可以改善心肌收缩力,恢复心室功能。NORAHAN 等[31]利用氧化石墨烯涂层胶原支架制备了一种电活性心脏贴片,在没有外部电刺激的情况下该贴片能够支持新生心肌细胞的黏附,上调心脏基因(Cx43、Actin4 和Trpt-2 等)的表达,并且促进了血管生成。
在组织工程应用中氧化石墨烯主要被制成了可注射水凝胶,它不仅可以为梗死区提供机械支持,还可以通过传输电信号来恢复心室功能。BAO 等[32]将氧化石墨烯引入由多臂交联剂PEGDA700 三聚氰胺和巯基改性透明质酸交联形成的可注射水凝胶中,并包埋脂肪基质细胞注入大鼠心肌梗死区,结果显示梗死区域血管密度增加,梗死面积缩小,心脏射血分数增加,同时α-平滑肌肌动蛋白和连接蛋白43 表达增加,说明该水凝胶通过提高机械支持和传递电信号改善了心功能。富马酸低聚物(聚乙二醇)水凝胶可为受损的组织提供机械支持,缩小梗死面积,改善心功能,还可以用于生长因子和细胞的递送。将氧化石墨烯纳米粒子引入聚乙二醇中制备的导电水凝胶,可以通过激活典型的Wnt 信号通路,在健康心肌和瘢痕内心肌细胞之间提供机械支持和电连接,进而促进心脏的同步收缩[33]。
2.2.2 碳纳米管 碳纳米管具有独特的导电和机械性能,被广泛用于生化传感、药物传递及组织工程。有研究发现,碳纳米管可以通过激活β-1 整合素介导的FAK/ERK/GATA4 通路来促进缝隙连接蛋白的表达,进而增强心肌细胞闰盘结构的组装,改善心脏功能[34]。
碳纳米管在复合材料中呈圈状排列,既往也曾有将单壁碳纳米管同明胶以戊二醛进行交联的报道,但需注意的是碳纳米管本身具有毒性,因此应严格控制复合材料中碳纳米管的含量。LI 等[35]将低浓度的单壁碳纳米管与聚异丙基丙烯酰胺联合制备出一种热敏感水凝胶,并在其上接种棕色脂肪来源的干细胞,该细胞不仅可以促进旁分泌,而且具有向心肌细胞分化的巨大潜力。实验结果显示该材料低毒,能够显著缩小梗死区面积,且有良好分化为心肌细胞的能力。聚氨酯具有良好的抗蠕变性,能够适应长期血压的冲击,近年来被广泛应用于心脏组织工程领域,然而其缺乏良好的生物学特性,且其亲水性主链上缺少功能基团,使共培养的细胞不能黏附和增殖。TONDNEVIS 等[36]尝试通过静电纺丝的技术将明胶、碳纳米管同聚氨酯结合来弥补聚氨酯材料的不足,一方面,碳纳米管增加了材料的杨氏模量,同时明胶也提高了材料的孔隙率、亲水性能(因明胶的氨基及羧基官能团的作用)、物理学特性,促进了材料上H9C2 细胞和内皮细胞的黏附及增殖;另一方面,静电纺丝形成的纳米纤维结合碳纳米管提高了材料的导电性能。
2.3 金纳米材料金纳米材料包括金纳米颗粒、纳米棒、纳米线等,其中在心脏组织工程中应用最广的是金纳米颗粒,它不仅具有良好的导电性、稳定性和生物相容性,而且有利于间充质干细胞的功能分化;此外,还发现金纳米颗粒能够通过减小梗死面积、减轻胶原沉积、抑制炎性细胞因子和促进心脏收缩功能来改善心功能[37]。
明胶-甲基丙烯酸是一种光交联水凝胶,由脱水明胶和甲基丙烯酸酯组成,适用于广泛的组织工程。NAVAEI 等[38]将合成的金纳米棒与明胶-甲基丙烯酸均匀混合,然后进行紫外交联制备了明胶甲基丙烯酸-金纳米棒杂化水凝胶。与纯明胶水凝胶相比,明胶甲基丙烯酸-金纳米棒杂化水凝胶具有更细的孔径,更小的溶胀率,同时还能保证支架材料中心肌细胞的营养供给。此外,带正电荷的金纳米棒与带负电荷的明胶-甲基丙烯酸之间通过静电作用维持了支架结构的完整性,并提高了机械刚度。将心肌细胞接种于该杂化水凝胶中培养7 d 观察到了完整组织层的形成,并有α-横纹肌辅肌动蛋白、肌钙蛋白Ⅰ、连接蛋白43 均匀分布于组织中,为复合材料提供了良好的机械应力。金纳米棒的嵌入能够增强基质的导电性能,亦保证了心肌细胞间信号的传导,从而增强了细胞的兴奋-收缩偶联,这一点可以从钙瞬态谱上均匀一致的钙峰值得到验证。PENA 等[39]将金纳米粒子偶联到反式热凝胶的骨架上开发出一种低黏度可注射式水凝胶,该材料在制作时因金纳米颗粒的羧基使其具有良好的水溶性,可直接同反式热凝胶-赖氨酸相结合,从而简化了聚合物形成的流程。该水凝胶在35 ℃左右时能自发由液态变为凝胶状态,且支架材料呈层状排列,具有非常多的孔隙,能够支撑心肌细胞的生长、延展。
文章来源:《材料研究学报》 网址: http://www.clyjxbzz.cn/qikandaodu/2021/0301/636.html