《AM》南科大刘吉/兰大张悦文：自生长导电水凝胶！

背景介绍

心肌梗死后，不可逆的电活性心肌细胞丢失及其被电绝缘的纤维组织替代，严重破坏了心脏的冲动传导并促进了电机械不同步。导电水凝胶基心脏贴片已被探索用于桥接梗死区域并恢复电连续性，但其疗效关键取决于与动态搏动心肌的稳定和紧密整合。实际上，高度弯曲的心脏表面，加上持续的微运动和不断演变的组织形态，会削弱持续的界面接触，导致功能解偶联。可注射导电水凝胶虽在一定程度上解决了几何失配问题，但这些系统仍基本局限于表面，无法渗透梗死核心区域，难以重建梗死内部残余心肌细胞之间的电耦合，形成了促心律失常的底物。

研究思路

针对上述挑战，南方科技大学刘吉教授、斯坦福大学Cui Miao教授联合兰州大学张悦文教授等提出了一种自生长导电体积界面（SCOVE）。该体系以可注射水凝胶前驱体形式递送，含有组织渗透性导电单体ETE。前驱体可快速渗透梗死心肌，在內源性葡萄糖触发下通过GOx/HRP酶级联反应产生H₂O₂，同时驱动ETE氧化聚合为导电pETE网络和PVA-Tyr的酚偶联交联，在组织表面形成共价交联水凝胶基质，在组织内部自生长出三维导电网络。SCOVE在1分钟内成胶，45分钟内达到类心肌电导率（~1 S m⁻¹），且不引起组织硬化。在大鼠心肌梗死模型中，SCOVE渗透梗死区域，将疤痕电阻率降低至传统二维导电贴片的2.54倍，恢复残余心肌细胞间的电耦合，增强Cx43表达并加速冲动传导。相关内容以 "Self-Growing Conductive Hydrogels Establish Volumetric Biointerfaces for Cardiac Repair" 发表在 《Advanced Materials》！

图片解析

图1. SCOVE的设计理念与机制： (a) 传统导电贴片仅提供心外膜表面二维传导桥接，无法连接梗死内部残余心肌细胞。(b) 体积导电界面的概念：导电网络渗透纤维化疤痕，重建梗死心肌内的三维电连续性。(c) SCOVE设计：含ETE单体的可注射前驱体渗透梗死组织，原位自生长为组织整合的导电pETE网络。(d) 代谢物触发机制：内源性葡萄糖激活GOx/HRP酶级联产生H₂O₂，同步驱动ETE聚合和PVA-Tyr酚偶联交联。

图2. SCOVE的代谢物触发原位形成、电学性能与组织渗透： (a) 酶促聚合与交联形成互穿网络示意图。(b) 前驱体剪切变稀行为利于注射和渗透。(c) UV-vis显示ETE在3 mM葡萄糖下逐步聚合。(d) 储能模量在SPF中随时间升至6 kPa。(e) 1 kHz阻抗在45分钟内从12,800 Ω降至150 Ω。(f) 体电导率达~1 S m⁻¹。(g-h) AFM显示SCOVE表面导电分布均匀。(i-j) 荧光成像证实前驱体可快速渗透心肌组织。(k) 心脏体模中SCOVE电导率约20倍于表面贴片对照。(l) SCOVE不显著改变心肌杨氏模量。

图3. SCOVE恢复梗死心肌三维电传导： (a) Langendorff离体心脏电生理映射实验装置。(b) 热损伤后SCOVE局部递送的代表性图像。(c) 激活图显示损伤后传导受损，SCOVE治疗后恢复。(d) SCOVE将传导速度从0.30恢复至0.88 mm ms⁻¹，接近健康心肌（1.10 mm ms⁻¹）。(e-f) 传导不均匀性指数从8.44恢复至2.59 ms mm⁻¹（健康为1.72）。(g-h) 计算模拟显示SCOVE同步心室内外膜激活，COGel贴片仅改善心外膜。

图4. SCOVE体内恢复电传导并促进心功能恢复： (a) 实验时间线。(b) SCOVE应用于梗死心脏的代表性图像。(c) SCOVE将心肌电阻率降低至1.23 Ω·m，为COGel贴片的2.54倍。(d) ECG显示ST段抬高于3天，SCOVE组28天QRS缩短。(e) QRS持续时间从MI组的50 ms缩短至27 ms。(f-h) 超声心动图显示SCOVE限制心室扩张，保留收缩功能（ESV仅增加9%）。(i-k) Masson染色显示SCOVE保留梗死壁厚度（1.60 mm vs 0.75 mm），梗死面积从59%降至25%。

图5. SCOVE介导的电耦合恢复、心肌保存与血管再生： (a-b) 治疗机制示意图。(c) Cx43免疫荧光显示SCOVE组表达增加6.45倍。(d) α-Actin染色显示SCOVE组肌原纤维束连续有序（阳性面积49% vs MI组8.6%）。(e) α-SMA染色显示SCOVE组血管密度达63 vessels mm⁻²，为COGel组1.5倍。(f-h) 定量分析证实SCOVE组Cx43、α-Actin和α-SMA均显著高于其他组。

结论

本研究提出了自生长导电体积界面SCOVE，在梗死心肌内重建三维导电微环境。SCOVE以可注射前驱体形式递送，含组织渗透性ETE单体，利用内源性葡萄糖触发原位聚合和同步水凝胶网络交联，实现组织整合导电网络的心肌内自生长。该动态自适应生物界面恢复跨梗死区三维电传导，降低疤痕电阻率，重建心肌细胞耦合并增强Cx43表达，共同促进功能性电机械整合。SCOVE超越传统表面贴片，通过组织整合的体积导电网络桥接电隔离的心肌细胞岛，恢复整个心室的冲动传导，为心脏修复提供了一种动态自适应、组织整合的生物界面范式。该模块化设计还可推广至其他电活性组织和生物电子疗法。

来源：BioMed科技