天津大學李俊杰教授團隊《Nat. Commun.》：時序性粘附心臟貼片用于機械生理監(jiān)測和電耦合治療
心肌梗死是一種由缺血性動脈閉塞誘發(fā)的惡性疾病，由于其發(fā)病急、并發(fā)癥復雜、致死率高，必須及早發(fā)現(xiàn)和治療。目前，急需能實時跟蹤心臟功能并提供針對性反饋治療的生物電子設備，以控制病情惡化并將致命并發(fā)癥降至最低。隨著組織工程學和生物電子學的發(fā)展，可實現(xiàn)適形組織整合、在線精確診斷和同步組織再生的柔性電子水凝膠有望成為治療心肌梗死的下一代平臺。
近日，天津大學化工學院李俊杰教授團隊報告了一種基于功能化聚苯胺的時序粘合水凝膠貼片（CAHP），能與潮濕的動態(tài)心外膜表面實現(xiàn)時空選擇性和保形嵌入式整合。值得注意的是，CAHP具有高粘附韌性、快速自愈合能力和增強的電化學性能，有助于敏感地感知心臟機械生理學介導的微變形，并同時改善心肌纖維化誘導的電生理學。因此，靈活的CAHP平臺可在線監(jiān)測梗死心肌的舒張-收縮幅度和節(jié)律，同時通過電耦合療法有效抑制心室重塑、促進血管再生和改善電生理功能（圖1）。因此，這種診斷與治療相結(jié)合的方法為心臟疾病提供了一種前景廣闊的可監(jiān)測治療方案。
圖1 時序性粘附貼片用于心肌梗死的診療一體化示意圖
圖2 功能化聚苯胺的結(jié)構與性能
研究團隊通過側(cè)鏈修飾策略合成了功能化聚苯胺（f-PANi），在生理介質(zhì)中具有電活性和增強的親水性，大大提高了導電聚合物在生物醫(yī)學應用中的潛力。與聚苯胺（PANi）和硼化聚苯胺（b-PANi）相比，f-PANi 在水體系中表現(xiàn)出更強的靜電斥力和更好的穩(wěn)定性 （圖1）。當硼酸側(cè)鏈和羧基側(cè)鏈共價接枝到疏水性PANi主干上時，水接觸角降至30.6 ± 2.6°。親水性f-PANi可通過靜電穩(wěn)定作用防止聚集，克服了傳統(tǒng)PANi在水中難以分散的缺陷。另外，傳統(tǒng)PANi的導電狀態(tài)取決于酸性環(huán)境和小分子摻雜劑。硼酸鹽和羧基側(cè)鏈補償了共軛結(jié)構上的電荷，使電子容易被激發(fā)，共軛體系中的遷移率增強，適用于電生理診斷和治療用途的生物電子材料。
圖3 時序性粘附水凝膠的非對稱粘附機理和性能
f-PANi中的硼酸酯側(cè)鏈和羧基側(cè)鏈能自發(fā)地與聚乙烯醇（PVA）生成動態(tài)共價硼酸酯鍵和非共價氫鍵，從而誘導CAHP的原位形成，而無需在生理環(huán)境中進行額外的刺激。當CAHP前體溶液涂抹在心肌表面時，兩親的f-PANi會迅速吸收并清除抗粘連心包液，并主動穿透心外膜。CAHP中的化學和物理交聯(lián)協(xié)同作用同時增強了內(nèi)部凝聚力和界面交鎖，從而牢牢地錨定在心肌上；谥鲃訑U散、界面交聯(lián)和機械互鎖的程序化粘附機制，使CAHP在初始凝膠狀態(tài)下就能逐步與接觸的心外膜形成強大的橋接網(wǎng)絡（圖3）。此外，在完全凝膠化后，CAHP還能抵御對側(cè)非目標組織的附著。由于水凝膠與組織界面的連接穩(wěn)定、順應性，且具有動態(tài)、穩(wěn)健的機械-電學網(wǎng)絡，CAHP能將舒張-收縮介導的微變形轉(zhuǎn)化為敏感的電阻信號變化。
圖4 時序性粘附水凝膠力學性能和自愈合性能
側(cè)鏈官能化賦予了導電聚合物協(xié)同可逆交聯(lián)的能力，使CAHP能夠在機械損傷后動態(tài)地重新排列，恢復電傳導的原始滲流路徑（圖4）。分離的CAHP可在接觸后迅速自主連接，抑制裂紋擴展。主要原因是動態(tài)共價硼酸酯鍵可以在不依賴外部刺激的情況下重新結(jié)合，從而產(chǎn)生強大的自愈力，快速補償材料缺陷。此外，f-PANi和PVA之間可逆的氫鍵相互作用也有助于交聯(lián)再結(jié)合。與其他自愈合導電聚合物水凝膠相比，f-PANi能夠直接參與網(wǎng)絡重塑，實現(xiàn)更高的機械和電自愈合效率。綜合來看，與以往不兼容剪切稀化粘度和可支撐彈性的導電聚合物水凝膠相比，CAHP通過整合共價鍵和非共價鍵，明顯改善了自愈合網(wǎng)絡的機械性能，在可注射性、自愈合性、粘附性和機械模量方面具有全面優(yōu)勢，有助于制造微創(chuàng)、耐用和自愈合的柔性電子器件。
圖5 時序性粘附水凝膠貼片原位記錄心臟機械生理學
基于CAHP的柔性傳感平臺可以原位連續(xù)記錄心臟機械生理學，監(jiān)測心肌梗死異常心臟的搏動振幅和節(jié)律（圖5）。CAHP用于心臟運動監(jiān)測的優(yōu)勢來自三個方面：(1)保形粘附性，可精確順應客體變形；(2)兼容的動態(tài)和柔性機械特性，可響應微妙的應力變化；(3)良好的電化學特性，可實現(xiàn)高力電耦合能力和保真微電流傳輸。另外，CAHP可以提高心肌細胞的鈣瞬變速度，通過補償纖維組織中的電傳導來改善心肌纖維化引起的電生理功能障礙（圖6）。因此，基于導電聚合物的CAHP可同時進行機械生理監(jiān)測和電耦合治療，為診斷和治療心肌缺血提供了一體化方法。這種以醫(yī)療為導向的CAHP可繼續(xù)服務于其他用于健康管理的可穿戴和植入式電子設備，促進基于水凝膠的生物電子診斷和治療系統(tǒng)的臨床轉(zhuǎn)化。
圖6 時序性粘附水凝膠貼片心肌修復效果和機制
該研究以題為“Chronological adhesive cardiac patch for synchronous mechanophysiological monitoring and electrocoupling therapy”的論文發(fā)表于國際知名期刊《Nature Communications》（DOI: 10.1038/s41467-023-42008-9）上。文章的第一作者為天津大學化工學院博士生于超杰，通訊作者為天津大學化工學院李俊杰教授、姚芳蓮教授、張宏副教授和華北理工大學孫紅教授。該工作得到了國家自然科學基金（U20A20261、52073205）和天津市研究生創(chuàng)新研究項目（2022BKY091）的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-42008-9
