北京工業大學張艷萍/劉有軍團隊Materials Today（IF 24.2）綜述：電活性生物材料協同電刺激用于心肌組織再生和功能監測

心肌組織工程旨在利用聚合物支架重建心肌組織再生微環境，促進接種的心肌細胞功能性成熟形成擬天然的組織工程心肌，用來修復或替換受損心肌。將電活性生物材料引入組織工程支架可以模擬天然心肌的電傳導特征，促進心肌細胞內電信號的快速傳播，對于重建梗死區域內正常的電傳導通路具有潛在治療意義。此外，通過電活性生物材料傳遞的電刺激可以進一步促進組織工程心肌的功能性成熟。另外，導電生物材料可作為良好的電極材料，實現監測心肌細胞的電信號。基于壓電材料的機電耦合特性，其不僅可以提供原位電刺激調節心肌細胞行為，還可作為傳感器監測心肌組織的收縮功能。近日，北京工業大學環境與生命學部張艷萍/劉有軍團隊聯合奧胡斯大學Menglin Chen團隊進行了電活性生物材料協同電刺激用于心肌組織再生和功能監測的相關綜述。研究成果以“Electroactive Biomaterials Synergizing with Electrostimulation for Cardiac Tissue Regeneration and Function-Monitoring”為題于2023年9月30日在線發表在Materials Today（IF 24.2）上。

本綜述系統性地總結了電活性生物材料（包括導電生物材料和壓電生物材料）協同電刺激促進心肌組織再生和監測心肌組織功能的研究進展（圖1）。首先，總結了不同類型的電活性生物材料以及其介導的電刺激；然后，討論了電活性生物材料與電刺激協同促進心肌組織再生的研究現狀，以及這些電信號如何調節心肌細胞行為的潛在機制；隨后，總結了電活性生物材料監測心肌組織功能的最新研究進展；最后，分析了當前面臨的挑戰和未來的發展方向。

圖1 電活性生物材料協同電刺激用于心肌組織再生和功能監測

1 電活性生物材料的分類

為了復制天然心肌細胞外基質（ECM），大量研究報道將電活性材料引入生物相容性較好的天然和/或合成聚合物中，構建了各種具有仿生物理特征（包括拓撲結構、力學性能和導電性）的心肌組織工程支架。導電生物材料主要包括金屬納米材料、碳基納米材料和導電聚合物；壓電聚合物主要包括聚偏氟乙烯（PVDF）和其衍生物、生物可降解的聚乳酸(PLLA)、聚羥基丁酸戊酯（PHBV）和絲素蛋白。本小節總結了這些電活性生物材料在改善心肌組織工程支架的力學性能和導電性能方面的影響，以及它們在心肌組織工程應用中面臨的挑戰。

圖2 電活性生物材料的分類及心肌組織工程支架的仿生物理特征

2 電刺激及其參數優化

通常，電刺激通過外接電極直接應用于細胞培養液或局部組織，但這種方法具有侵入性，缺乏特異性，而且傳遞的電刺激可能被細胞培養基或周圍組織削弱。而通過電活性生物材料支架可以根據生理需要提供局部和定向電刺激，可能更適合調控組織工程中心肌細胞/組織行為。本小節主要討論了用于心肌組織工程中的電刺激參數優化，總結了導電生物材料遞送電刺激以及壓電聚合物提供壓電介導電刺激，在調控心肌細胞行為和監測心肌組織功能方面的研究現狀。

3 電活性生物材料協同電刺激促進心肌組織再生

本小節總結了電活性生物材料與電刺激協同作用在心肌組織再生中的應用，主要包括三個方面：（1）促進干細胞的心源性分化，（2）促進體外構建的組織工程心肌功能性成熟，（3）改善體內修復梗死心肌的治療效果。

此外，心肌細胞對電活性生物材料和電刺激的響應機制尚不明確，而且導電/壓電材料的電子基電刺激與細胞/組織的離子基電活動之間的相互作用仍有待進一步探索。本小節討論了細胞/組織與電活性生物材料之間界面的復雜性和細胞響應機制，以及電刺激調控細胞行為的機理研究。

圖3 模擬心肌細胞與電活性生物材料相互作用的等效電路

4 電活性生物材料用于心肌功能監測

盡管工程化的心肌組織在體外和體內心肌再生中都顯示出巨大前景，但在線監測組織工程心肌的性能以及調控其修復功能仍具有挑戰性。近年來，柔性電子學的快速發展為構建多功能組織工程心肌提供了新的可能，其中傳感和電刺激組件可以集成在3D生物材料支架中。具體地，電活性生物材料可作為良好的導電元件，用于感知心肌細胞的電信號，并提供外部電刺激來調節細胞行為。此外，將柔性電子器件集成到心肌組織工程中，可以監測工程組織植入前后的治療效果。本小節討論多功能組織工程心肌補片實時監測心肌電生理活動的最新研究進展。

圖4 基于電活性生物材料的多功能心肌補片用于監測組織工程心肌的電生理活動

5 總結和展望

本文綜述了不同類型的導電生物材料和壓電聚合物及其介導的電刺激，并探討了它們在體外構建功能性心肌組織中的協同作用和在體內改善梗死心肌修復的治療效果，以及它們監測心肌組織電生理功能的應用。盡管基于電活性生物材料的心肌組織工程對于治療心肌梗死展現出巨大潛力，但準確復制復雜的仿生多級結構、電刺激參數優化、心肌細胞/組織與電活性生物材料之間的具體作用機制，以及電活性生物材料的長期導電性能穩定性和生物安全性等方面仍有待進一步探索。此外，還應考慮將其他功能（如遞送生物分子和動態響應）整合到基于電活性生物材料的心肌組織工程中，使得構建功能性仿生組織用于修復或替換受損心肌并實時監測組織再生動態過程成為可能。

文章來源

https://authors.elsevier.com/sd/article/S1369-7021(23)00299-7