IF:16.1《ACS NANO》南京医科大学崔畅/北京安贞医院李海洋团队:可注射导电纳米胶束水凝胶(载α-生育酚)助力心肌梗死修复

针对上述问题，南京医科大学崔畅/北京安贞医院李海洋团队提出了一种优化的可注射导电水凝胶作为治疗性心脏补片。以Pluronic F127二丙烯酸酯（F127DA）作为水凝胶基质，利用其疏水药物载体的特性将α-TOH掺入其中形成抗氧化胶束水凝胶，同时以PEDOT:PSS作为导电填充材料赋予体系导电性。为进一步提升性能，在F127DA前驱体溶液中引入多巴胺（DA），通过氢氧化钠诱导其氧化聚合形成聚多巴胺（PDA），从而赋予交联水凝胶柔韧性和生物粘附性。该水凝胶集成了可注射性、高导电性、柔韧性、生物粘附性和抗氧化性，能够有效逆转局部心肌氧化损伤并恢复电信号传导。为验证其治疗效果，研究构建了兔急性MI模型，将原位形成的水凝胶心脏补片注射至梗死表面，系统评估其对组织修复的促进作用。该策略通过联合利用α-TOH的抗氧化抗炎功能和PEDOT:PSS的导电性能，为心肌梗死后的再生修复提供了一种多功能集成的治疗新方案(图1)。该文章于2024年3月4日以《Injectable and Conductive Nanomicelle Hydrogel with α‑Tocopherol Encapsulation for Enhanced Myocardial Infarction Repair》为题发表于《ACS NANO》（DOI:10.1021/acsnano.4c00509）。

图1. F127DA-PEDOT：PSS-PDA-α-TOH (FPDA) 水凝胶在体内心脏修复中的制备和治疗机制示意图。

（1）水凝胶的合成与表征

FPDA水凝胶通过两步法制备（图1）：第一步利用F127DA自组装特性（PPO疏水段缠结形成10–20 nm胶束，亲水PEO外壳包载疏水α-TOH）经涡旋超声获得均一溶液，α-TOH浓度增加使溶液呈乳白色，TEM证实分散良好（图2a,c,d）；第二步引入PEDOT:PSS与多巴胺，碱性条件下DA氧化聚合形成PDA，加入光引发剂LAP后经405 nm蓝光交联，共价键与非共价相互作用（静电、氢键、疏水、π–π堆积）共同构建网络（图2b,e）。DA浓度增加使凝胶固体特性降低、柔软性增加（杨氏模量下降），DA/F127DA超30 wt%时凝胶化困难，推测因游离DA通过氢键/π–π作用聚集于胶束周围延缓聚合，且DA氧化自由基消耗丙烯酰基团降低交联密度。PEDOT:PSS使溶液呈蓝色。热凝胶化特性不受影响（37°C快速凝胶化，物理凝胶化温度30–35°C，图2f,g）。SEM显示各组结构相似，PEDOT:PSS/PDA增加表面粗糙度；溶胀性能相近。

图2. 水凝胶的合成过程及结构表征。(a, b) 采用简单的两步法制备FPDA水凝胶。利用F127DA的疏水核特性，实现了α-TOH在溶液中的分散和负载。随后，在碱性环境下，多巴胺(DA)发生氧化聚合生成PDA。同时加入PEDOT:PSS和光引发剂，即可进行光聚合。(c) 拍摄了负载α-TOH的F127DA的照片，以水作为对照。(d) 10% (w/v) F127DA水凝胶溶液负载10 mg/mL α-TOH后的TEM图像。比例尺：100 nm。 (e) 在玻璃小瓶中均匀混合F127DA-α-TOH+PEDOT:PSS+DA-HCl-NaOH+LAP溶液形成水凝胶的典型过程，以及多种相互作用的示意图。(f) 水性凝胶溶液的热凝胶化特性展示。(g) 各组水凝胶的物理凝胶温度统计数据。

（2）FPDA水凝胶的力学性能、导电性与组织粘附性表征

光聚合后，水凝胶呈交联胶体结构，胶束间共价链桥接维持整体结构，胶束网络内疏水相互作用作为耗能单元赋予柔韧力学性能。FPDA水凝胶表现出优异拉伸性（>140%）、低弹性模量（约80 kPa）及压缩回弹性，50次循环加载-卸载测试（拉伸100%、压缩60%）强度损失极小，无显著塑性变形（图3a-e）。PDA链缠结形成可恢复非共价键，与F127DA网络载荷共享，通过断裂非共价键耗散能量阻止裂纹扩展，提升韧性与伸长率。PEDOT:PSS和α-TOH引入未显著改变力学性能，但PEDOT:PSS浓度增加使导电性相应提高，变形中仍保持优异导电性（图3f）。纯F127DA杨氏模量约300 kPa，FPDA降至约80 kPa，归因于DA聚合消耗自由基及DA/PDA空间位阻降低交联密度（图3g）。蠕变恢复显示优异弹性恢复与低不可逆蠕变（图3h）；流变学显示各组G'均大于G''，形成稳定胶体体系，DA加入降低储能模量（图3i）。PDA使FPDA粘附强度提升约5倍，可牢固粘附于玻璃、乳胶及人体皮肤，兔心外膜动态形变下保持稳定，水冲洗后仍完整附着（图3j-m）。高顺应性增强对动态弹性基底的适应性，PEDOT:PSS改善导电性模拟天然心脏组织电微环境。

图3. 水凝胶的力学性能。(a) FPDA水凝胶优异拉伸性能的典型照片。(b) 不同水凝胶的典型拉伸应力-应变曲线。(c) FPDA水凝胶的循环拉伸试验。(d) FPDA水凝胶的压缩恢复性能。(e) FPDA水凝胶的循环压缩试验。(f) 不同水凝胶的电导率。(g) 不同水凝胶杨氏模量的原子力显微镜(AFM)测量结果。(h) 水凝胶的蠕变恢复试验。(i) 角频率从1 rad/s增加到100 rad/s的振幅扫描。(j) 粘附强度测量装置。(k) 水凝胶的粘附强度。(l) 动态传导下水凝胶与兔心外膜的粘附情况。 （m）水凝胶粘合兔心脏与水冲洗的粘附性。

（3）水凝胶的体外抗氧化性和生物相容性

水凝胶生物相容性良好，H9C2细胞在各组存活率均>90%，培养5天增殖未受抑制（图4a,b）。心梗后梗死区产生大量ROS导致氧化应激损伤，α-TOH与PDA均具抗氧化性能。DCFH-DA染色显示：无凝胶组细胞呈强绿色荧光（大量ROS），FPD组（含PDA）荧光显著降低，FPDA10组（10 mg/mL α-TOH）几乎无荧光，显示优异协同ROS清除能力（图4c,d），后续实验选用该浓度。HUVEC在FPDA水凝胶上生长良好，进一步验证生物相容性（图4e,f）。α-TOH包封于水凝胶中实现长期缓释，姜黄素模拟实验显示疏水分子成功包封并随孵育时间逐渐释放至PBS中，累积释放量计算证实载药水凝胶具有长期缓释特性，有利于促进心肌修复。

图4. 水凝胶的体外生物相容性。(a) H9C2细胞和HUVEC细胞在水凝胶上培养1天和3天后的活/死细胞染色。绿色：活细胞；红色：死细胞。比例尺：50 μm。(b) 不同水凝胶支架对H9C2细胞增殖的影响。(c) H9C2细胞在不同水凝胶上生长后，细胞内总活性氧（ROS，DCFH-DA，绿色）的荧光图像。比例尺：50 μm。(d) 不同水凝胶上生长的细胞的细胞内总ROS的相对荧光强度定量分析。(e) HUVEC细胞在水凝胶上培养24小时和72小时后的活/死细胞染色。(f) H9C2细胞和HUVEC细胞的细胞活力定量分析。

（4）FPDA水凝胶促进心肌细胞成熟与同步收缩

导电支架具有促进心肌细胞成熟和心肌同步收缩的潜力。为确定FPDA水凝胶是否为培养心肌细胞的理想平台，研究团队将新生大鼠心肌细胞接种于不同水凝胶表面。培养7天后，各组心肌细胞均表现出典型的肌节形成和良好的细胞间连接（图5a）。重要的是，FPDA水凝胶上的心肌细胞显示出更高密度的α-肌动蛋白阳性肌节（图5b）。此外，含导电组分的水凝胶（FP、FPD和FPDA）与对照组相比表现出更高水平的缝隙连接蛋白43（Cx43）表达（图5c）。综合来看，FPDA上α-肌动蛋白和Cx43的高表达表明心肌细胞具有更高程度的功能化和成熟。

研究团队进一步通过检测与兴奋-收缩耦联密切相关的钙瞬变来评估心肌细胞在水凝胶上的同步收缩能力。结果显示，在FP、FPD和FPDA水凝胶上不同位置的心肌细胞均发生节律性同步钙离子流，表现为同步的钙荧光峰（图5d）。相比之下，在未添加导电材料的对照FH水凝胶上，随机选取位点表现出紊乱且不同步的钙峰，表明材料导电性的增强可促进心肌细胞的耦联和同步收缩。此外，FPDA组表现出更多的钙峰数量和更短的钙峰到达时间，证明其具有更强且同步的钙动员能力（图5e、f）。

图5. 水凝胶对体外培养的心肌细胞的影响。(a) 在第7天评估接种于不同水凝胶上的心肌细胞中α-肌动蛋白（绿色）和连接蛋白43 (Cx43，红色) 的表达水平。比例尺：50 μm。(b, c) α-肌动蛋白和Cx43表达的表面覆盖率定量分析。(d) 培养7天后，测量培养于不同水凝胶上的心肌细胞内的钙瞬变以及提取的Ca²⁺信号的频率。 (e)每3秒计算不同水凝胶中Ca²⁺瞬变传播峰值的数量。(f) Ca²⁺瞬变达到峰值的传播时间。

（5）FPDA水凝胶在兔心肌梗死模型中的修复效果评价

FPDA水凝胶在兔心梗模型中评估心脏修复效果。通过冠状动脉结扎建立急性心梗，ST段抬高为心梗标志（图6a）；水凝胶经溶液注射-热固化-光交联植入梗死表面，大鼠降解实验显示其逐渐降解，第3周几乎完全消失，术后1周与心脏表面紧密贴合、顺应搏动。术后4周Masson染色显示：MI组梗死区严重纤维化（大量蓝染胶原），FPD和FPDA组梗死面积缩小、纤维化减轻，FPDA组可见丰富新生心肌（图6b）。超声心动图显示MI组左室前壁收缩显著降低，水凝胶治疗组可见明显收缩波，FPDA组改善最显著；与MI组相比，两水凝胶组LVEF和LVFS显著改善（图6d,e），LVIDs和LVIDd显著降低，有效抑制左室扩张与重构，FPDA组恶性扩张趋势减弱更明显（图6f,g）。H&E染色显示水凝胶组组织形态与正常组织相似，无明显毒性。免疫荧光显示：假手术组α-肌动蛋白和Cx43表达密集，MI组表达极少；FPD和FPDA组α-肌动蛋白显著增加，Cx43显著上调，FPDA组优于FPD组（图7a-c）。DHE染色显示MI组梗死区ROS升高，FPD和FPDA组ROS显著降低，FPDA组减少最明显，归因于水凝胶ROS清除能力减轻氧化应激损伤。

图6. 水凝胶注射 4 周后梗死心肌的修复效果。(a) 兔心脏闭塞和水凝胶植入过程的代表性宏观图像。图中还显示了闭塞前后兔的典型心电图。红色箭头指示 ST 段抬高。(b) 兔心脏切片的 Masson 染色。比例尺：5 mm（高倍放大时为 1 mm）。(c) 注射后 4 周，假手术组、心肌梗死组、FPD 组和 FPDA 组的代表性超声心动图图像。插图：红线代表左心室舒张末期内径 (LVDd)，绿线代表左心室收缩末期内径 (LVDs)。 （d–g）通过超声心动图评估的左心室功能参数，包括（d）LVEF、（e）LVFS、（f）LVIDd 和（g）LVIDs。

图7. 兔心肌梗死后心脏修复的评估。(a) 对心脏切片进行免疫染色，以显示 α-肌动蛋白（绿色）、Cx43（红色）和细胞核（蓝色）的定位。比例尺：500 μm。右侧图像为特定区域的放大图。比例尺：50 μm。(b, c) 基于免疫染色图像计算心脏切片中 (b) Cx43 和 (c) α-肌动蛋白的面积覆盖率。

血管新生是心肌梗死 (MI) 修复的关键方面，因为新形成的血管能够为缺血的心肌组织提供重要的营养和氧气，从而减轻 MI 后心脏重塑的有害后果。因此，研究人员在心肌梗死后4周评估了梗死区域的血管生成过程。内皮细胞标志物（CD31）和血管平滑肌细胞标志物（α-SMA）的双重染色揭示了血管的结构和分布。如图所示图 8a，水凝胶组的微血管密度高于梗死组，特别是经FPDA治疗后，梗死区域内形成了丰富且排列有序的管腔结构。定量分析显示，FPDA组中新生血管数量最多，表明心肌梗死后心肌损伤的恢复程度更高（图 8b,c）。这可能归因于导电水凝胶能够募集内皮细胞迁移到梗死区域，并且在心肌梗死修复过程中，FPDA水凝胶减少了梗死区域的炎症，创造了有利于内皮细胞生长的心脏微环境，从而促进了新生血管形成。

图8. 4 周后心肌血运重建的评估。(a) 心肌梗死治疗后 28 天，梗死心肌区域 CD31 和 α-SMA 的免疫组织化学图像。(b, c) 梗死区域新生血管的定量分析。

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