北京工业大学张艳萍/刘有军团队Materials Today（IF 24.2）综述：电活性生物材料协同电刺激用于心肌组织再生和功能监测

心肌组织工程旨在利用聚合物支架重建心肌组织再生微环境，促进接种的心肌细胞功能性成熟形成拟天然的组织工程心肌，用来修复或替换受损心肌。将电活性生物材料引入组织工程支架可以模拟天然心肌的电传导特征，促进心肌细胞内电信号的快速传播，对于重建梗死区域内正常的电传导通路具有潜在治疗意义。此外，通过电活性生物材料传递的电刺激可以进一步促进组织工程心肌的功能性成熟。另外，导电生物材料可作为良好的电极材料，实现监测心肌细胞的电信号。基于压电材料的机电耦合特性，其不仅可以提供原位电刺激调节心肌细胞行为，还可作为传感器监测心肌组织的收缩功能。近日，北京工业大学环境与生命学部张艳萍/刘有军团队联合奥胡斯大学Menglin Chen团队进行了电活性生物材料协同电刺激用于心肌组织再生和功能监测的相关综述。研究成果以“Electroactive Biomaterials Synergizing with Electrostimulation for Cardiac Tissue Regeneration and Function-Monitoring”为题于2023年9月30日在线发表在Materials Today（IF 24.2）上。

本综述系统性地总结了电活性生物材料（包括导电生物材料和压电生物材料）协同电刺激促进心肌组织再生和监测心肌组织功能的研究进展（图1）。首先，总结了不同类型的电活性生物材料以及其介导的电刺激；然后，讨论了电活性生物材料与电刺激协同促进心肌组织再生的研究现状，以及这些电信号如何调节心肌细胞行为的潜在机制；随后，总结了电活性生物材料监测心肌组织功能的最新研究进展；最后，分析了当前面临的挑战和未来的发展方向。

图1 电活性生物材料协同电刺激用于心肌组织再生和功能监测

1 电活性生物材料的分类

为了复制天然心肌细胞外基质（ECM），大量研究报道将电活性材料引入生物相容性较好的天然和/或合成聚合物中，构建了各种具有仿生物理特征（包括拓扑结构、力学性能和导电性）的心肌组织工程支架。导电生物材料主要包括金属纳米材料、碳基纳米材料和导电聚合物；压电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)、聚羟基丁酸戊酯（PHBV）和丝素蛋白。本小节总结了这些电活性生物材料在改善心肌组织工程支架的力学性能和导电性能方面的影响，以及它们在心肌组织工程应用中面临的挑战。

图2 电活性生物材料的分类及心肌组织工程支架的仿生物理特征

2 电刺激及其参数优化

通常，电刺激通过外接电极直接应用于细胞培养液或局部组织，但这种方法具有侵入性，缺乏特异性，而且传递的电刺激可能被细胞培养基或周围组织削弱。而通过电活性生物材料支架可以根据生理需要提供局部和定向电刺激，可能更适合调控组织工程中心肌细胞/组织行为。本小节主要讨论了用于心肌组织工程中的电刺激参数优化，总结了导电生物材料递送电刺激以及压电聚合物提供压电介导电刺激，在调控心肌细胞行为和监测心肌组织功能方面的研究现状。

3 电活性生物材料协同电刺激促进心肌组织再生

本小节总结了电活性生物材料与电刺激协同作用在心肌组织再生中的应用，主要包括三个方面：（1）促进干细胞的心源性分化，（2）促进体外构建的组织工程心肌功能性成熟，（3）改善体内修复梗死心肌的治疗效果。

此外，心肌细胞对电活性生物材料和电刺激的响应机制尚不明确，而且导电/压电材料的电子基电刺激与细胞/组织的离子基电活动之间的相互作用仍有待进一步探索。本小节讨论了细胞/组织与电活性生物材料之间界面的复杂性和细胞响应机制，以及电刺激调控细胞行为的机理研究。

图3 模拟心肌细胞与电活性生物材料相互作用的等效电路

4 电活性生物材料用于心肌功能监测

尽管工程化的心肌组织在体外和体内心肌再生中都显示出巨大前景，但在线监测组织工程心肌的性能以及调控其修复功能仍具有挑战性。近年来，柔性电子学的快速发展为构建多功能组织工程心肌提供了新的可能，其中传感和电刺激组件可以集成在3D生物材料支架中。具体地，电活性生物材料可作为良好的导电元件，用于感知心肌细胞的电信号，并提供外部电刺激来调节细胞行为。此外，将柔性电子器件集成到心肌组织工程中，可以监测工程组织植入前后的治疗效果。本小节讨论多功能组织工程心肌补片实时监测心肌电生理活动的最新研究进展。

图4 基于电活性生物材料的多功能心肌补片用于监测组织工程心肌的电生理活动

5 总结和展望

本文综述了不同类型的导电生物材料和压电聚合物及其介导的电刺激，并探讨了它们在体外构建功能性心肌组织中的协同作用和在体内改善梗死心肌修复的治疗效果，以及它们监测心肌组织电生理功能的应用。尽管基于电活性生物材料的心肌组织工程对于治疗心肌梗死展现出巨大潜力，但准确复制复杂的仿生多级结构、电刺激参数优化、心肌细胞/组织与电活性生物材料之间的具体作用机制，以及电活性生物材料的长期导电性能稳定性和生物安全性等方面仍有待进一步探索。此外，还应考虑将其他功能（如递送生物分子和动态响应）整合到基于电活性生物材料的心肌组织工程中，使得构建功能性仿生组织用于修复或替换受损心肌并实时监测组织再生动态过程成为可能。

文章来源

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