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《Chem.Sci.》綜述：用于組織修復(fù)的導(dǎo)電水凝膠
文章來源：高分子科學(xué)前沿 更新時(shí)間：2023-02-28 16:23:02
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人體內(nèi)的所有細(xì)胞，不僅包括興奮的神經(jīng)和肌肉細(xì)胞，都能產(chǎn)生和接收穩(wěn)態(tài)生物電信號(hào)，這些信號(hào)可以作為調(diào)控細(xì)胞數(shù)量（細(xì)胞增殖和凋亡）、位置（遷移和取向）和類型（細(xì)胞分化）的關(guān)鍵因素。例如，完整皮膚的跨上皮電位(TEP)為10-60毫伏，這在身體和表皮的不同部位之間是不同的。當(dāng)皮膚受到損傷時(shí)，損傷部位的TEP被破壞，導(dǎo)致內(nèi)源性電場(chǎng)(EF)從創(chuàng)面邊緣向創(chuàng)面內(nèi)部傳導(dǎo)，刺激宿主細(xì)胞增殖和遷移，最終促進(jìn)組織生長(zhǎng)和再上皮化。這些在細(xì)胞和組織中電生理行為啟發(fā)研究人員在分子水平上開發(fā)能夠激活特定基因、刺激組織再生的新一代生物材料。
導(dǎo)電水凝膠（CHs）結(jié)合了水凝膠的優(yōu)良特性和導(dǎo)電材料的生理和電化學(xué)特性，受到了廣泛的關(guān)注。三維多孔結(jié)構(gòu)、親水性、可控的化學(xué)物理特性以及類似于組織細(xì)胞外基質(zhì)的特性，使得CHs成為細(xì)胞生長(zhǎng)、遷移和增殖的有利基質(zhì)。此外，使用CHs不僅擴(kuò)大了電流對(duì)整個(gè)傷口的覆蓋范圍，還克服了基于電極的電刺激策略在使用上的不便和高電壓風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，與不導(dǎo)電水凝膠不同,CHs具有高電導(dǎo)率和電化學(xué)氧化還原特性，可用于檢測(cè)生物系統(tǒng)中產(chǎn)生的電信號(hào)以作為組織損傷部位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的傳感器，并通過增強(qiáng)電刺激調(diào)節(jié)細(xì)胞和組織的活動(dòng)和功能。上述特性使CHs在組織修復(fù)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因此，西安交通大學(xué)郭保林教授團(tuán)隊(duì)綜述了導(dǎo)電水凝膠材料在組織修復(fù)中的應(yīng)用。
圖 1 CHs的制備、應(yīng)用及組織修復(fù)機(jī)制
首先，作者簡(jiǎn)要介紹了碳基、導(dǎo)電聚合物基、金屬基、離子型、復(fù)合型等不同類型CHs的設(shè)計(jì)與合成策略。基于碳基材料，如碳納米管、石墨烯、活性炭、碳纖維和多孔碳等制備的CHs環(huán)境穩(wěn)定性好、電導(dǎo)率高、生產(chǎn)成本低。導(dǎo)電聚合物如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等與水凝膠結(jié)合所制備的CHs大大拓展了疏水性導(dǎo)電聚合物在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。金屬及金屬氧化物如金、銀、鋅等不僅具有導(dǎo)電性，還具有很強(qiáng)的抗菌性能。離子基CHs很好的模擬了生物系統(tǒng)通過離子傳遞連續(xù)信號(hào)的特性。多種類型復(fù)合制備的CHs也使導(dǎo)電水凝膠的性能更加豐富和優(yōu)異。
其次，介紹了導(dǎo)電水凝膠應(yīng)用的組織修復(fù)類型。CHs通過物理形態(tài)、化學(xué)和生物活性改善細(xì)胞行為，可以提供神經(jīng)組織再生的適宜營(yíng)養(yǎng)；導(dǎo)致肌肉組織的收縮活動(dòng)；促進(jìn)皮膚創(chuàng)面巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和角質(zhì)形成細(xì)胞的遷移；并提升對(duì)骨修復(fù)相關(guān)細(xì)胞的粘附、增殖和形態(tài)學(xué)的支持。
最后，對(duì)導(dǎo)電水凝膠敷料促進(jìn)組織修復(fù)的機(jī)制做了分析。水凝膠具備的藥物遞送，導(dǎo)電成分所引入的光熱抗菌，抗炎、刺激響應(yīng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及對(duì)細(xì)胞增殖和組織修復(fù)相關(guān)通路的激活，均有效的改善了組織修復(fù)。
此外，該工作還對(duì)CHs應(yīng)用于組織修復(fù)中可能會(huì)面臨的問題挑戰(zhàn)作了總結(jié)。生物相容性、力學(xué)性能、耐藥菌威脅、基礎(chǔ)疾病、患者的心理狀態(tài)和倫理問題等，都是影響CHs臨床轉(zhuǎn)化的因素。其次，智能炎癥調(diào)控、多參數(shù)分離檢測(cè)、自發(fā)電以及探索導(dǎo)電材料與電刺激之間的深層次關(guān)系，都是進(jìn)一步研究的方向。最后，作者期待在未來能有更多CHs走出實(shí)驗(yàn)室，走向臨床。
相關(guān)研究成果以“Conductive Hydrogels for Tissue Repair”為題發(fā)表在Chemical Science雜志上（DOI: 10.1039/D3SC00145H, IF=9.969），該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金、金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中央高校世界一流大學(xué)（學(xué)科）和特色發(fā)展引導(dǎo)資金等項(xiàng)目的支持。西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院助理教授梁永平為本文第一作者，通訊作者為郭保林教授。 |
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