【Advanced Science News】苏州纳米所张智军课题组MBS综述：导电水凝胶用于组织工程的研究进展

2022-5-24

       摘要：导电水凝胶由于其具有优异的导电性和生物相容性，在组织工程领域中受到越来越多的关注。苏州纳米所张智军课题组总结了近年来导电水凝胶在组织工程领域中的研究进展，简述了导电水凝胶的材料种类和制造技术，重点介绍了其在心脏、神经、皮肤和骨骼肌组织中的应用。最后，讨论和展望了导电水凝胶的发展趋势。

       关键词：导电水凝胶，组织工程与再生医学，生物材料，电活性组织，生物电信号。

       组织工程技术在再生医学领域具有重要的应用前景。组织工程将细胞、生物因子和生物材料相结合，植入到受损组织或器官中，以实现损伤修复和器官功能重建。通过对生物支架的设计，模仿天然组织各方面的性能，能够有效改善损伤的修复效果。然而，大多数组织工程支架是电绝缘体，不能在支架和组织之间建立有效的电传导，极大地限制了它们在电活性组织中的治疗效果。导电水凝胶赋予生物支架以导电性能，具有力学性能可调、多孔结构、高含水量和良好生物相容性等优势，特别适用于具有电活性的组织损伤后的修复。

       中科院苏州纳米所张智军课题组长期从事生物材料（包括三维生物打印以及导电水凝胶等）与干细胞再生医学的研究。该综述总结了导电水凝胶用于组织工程领域的最新进展，将导电水凝胶在组织修复过程的作用归纳为两个层面。在细胞层面上，导电水凝胶支架所提供导电微环境可以增强细胞与细胞、细胞与支架间的交流，从而可以有效调控内源性或外源性细胞的粘附、增殖、迁移和分化等行为，有利于损伤组织的修复。在组织层面上，导电水凝胶可以作为桥梁，加强正常组织和受损组织之间的沟通和电耦合，促进电活性组织中电信号的传输。植入具有合适导电性的水凝胶能够有效重建与电传导有关的生理功能，如心脏搏动、神经信号传导、跨上皮电位和骨骼肌收缩等。

       该综述首先简述了导电水凝胶的分类以及加工方法。依据导电材料的成分，导电水凝胶可以分为基于导电聚合物、碳纳米材料、金属纳米晶体、离子导电材料及其他类型导电材料（MXene、黑磷等）的5种导电水凝胶。在此基础上，文章总结了不同材料的特点，并指出了对应的设计策略和准则。导电水凝胶支架的制造工艺包括模塑、可注射、三维生物打印和微流控技术等，不同的制造工艺的适用于特定类型的组织损伤。例如模塑工艺适合构建形状规则的导电支架，如神经导管；可注射水凝胶是一种微创的方式，可以使材料与损伤部位的形状相匹配；三维打印更适合制造复杂形状的支架，并能实现细胞和材料的精确沉积；微流控技术能够方便的制造水凝胶微球或纤维结构，适合于具有类似结构的组织损伤的修复。

       然后，该综述重点介绍了导电水凝胶在组织工程领域中的应用，并对于不同导电支架的材料组成、导电性、电刺激的方案、细胞的类型、动物模型及其功能特征进行了归纳总结。目前，导电水凝胶在组织工程与再生医学领域具有广泛的应用，包括心肌梗死、脊髓损伤、周围神经损伤、皮肤伤口和骨骼肌损伤等组织损伤的修复。以心脏组织工程为例，心肌梗死导致大量心肌细胞丢失，破坏了健康组织和梗死部位之间的电信号传导，从而导致收缩和舒张功能障碍以及心律失常。研究者通过对导电水凝胶的设计，构建了一系列可注射式水凝胶和水凝胶贴片，使得材料能够粘附在组织表面，并具有与正常心肌组织相匹配的力学性能和导电性，恢复梗死组织的电脉冲传导，唤起心脏的同步收缩，重建心脏的功能。此外，导电支架还能够负载干细胞或进行药物递送，通过协同作用，提高治疗效果。

       最后，综述对于导电水凝胶未来的发展和面临的挑战进行了讨论与展望，并针对其临床应用前景，在材料设计和加工工艺等方面给出了设计思路和建议。重点指出目前导电材料在体内发挥作用的机理并不明确：导电水凝胶通常为电子导体，而生理组织中电信号的传导是以离子跨膜流动的形式进行，不能简单认为这两种传导模式是等同的。深入理解导电支架与组织间相互作用的机制，有利于开发更安全有效的导电水凝胶。

       该综述的第一作者为中科院苏州纳米所博士后杲辰，通讯作者为张智军研究员。