急性心肌梗死作為全球心血管死亡的首要原因，其后引發(fā)的“缺血—炎癥—纖維化”級(jí)聯(lián)反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致左心室重構(gòu)，最終走向心力衰竭。盡管當(dāng)前治療策略已向多靶點(diǎn)干預(yù)邁進(jìn)——納米顆粒遞送系統(tǒng)利用EPR效應(yīng)在梗死區(qū)聚集，細(xì)胞片層療法直接移植功能性細(xì)胞——但納米系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)心臟微環(huán)境中滯留率低，細(xì)胞片層則需復(fù)雜體外培養(yǎng)且機(jī)械適配性差。水凝膠材料雖因彈性模量接近心肌組織（1-15 kPa）且具有可編程生物功能特性而成為心肌修復(fù)載體的重要方向，但現(xiàn)有水凝膠心臟貼片普遍面臨兩大瓶頸：力學(xué)性能與心肌動(dòng)態(tài)收縮在時(shí)空上匹配不足（疲勞抗力普遍低于心肌組織所需的50 kPa閾值，濕態(tài)粘附強(qiáng)度<1 kPa）。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，西南交通大學(xué)趙安莎教授、成都市第三人民醫(yī)院Fu Jinjuan合作，開發(fā)了一種基于天然葛根的多功能導(dǎo)電水凝膠心臟貼片（GPS@Au NPs）。該研究利用天然葛根多糖的多種藥理活性，整合納米毒理學(xué)增強(qiáng)與微納仿生技術(shù)，通過動(dòng)態(tài)席夫堿交聯(lián)構(gòu)建氧化葛根多糖/明膠復(fù)合網(wǎng)絡(luò)，并引入半胱胺修飾的金納米顆粒形成導(dǎo)電通路。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用3D打印構(gòu)建了模擬樹蛙足墊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)性能、電信號(hào)傳導(dǎo)能力和生物功能的多維協(xié)同優(yōu)化，將傳統(tǒng)中藥多糖從單純的“藥物分子”轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮δ苄越槿氩牧稀?/strong>。相關(guān)論文以“A Natural Pueraria─Based Conductive Cardiac Patch with Tree Frog Foot─Inspired Morphology for Myocardial Infarction Treatment”為題，發(fā)表在ACS Nano上。

研究團(tuán)隊(duì)首先對(duì)金納米顆粒及復(fù)合水凝膠進(jìn)行了系統(tǒng)表征。透射電鏡圖像顯示，平均直徑約10 nm的金納米顆粒經(jīng)半胱胺修飾后仍保持良好分散性，EDS元素分布譜圖證實(shí)了金元素與硫元素的均勻分布，XPS全譜及S 2p高分辨譜進(jìn)一步驗(yàn)證了金-硫配位鍵的形成。動(dòng)態(tài)光散射結(jié)果表明，半胱胺修飾后金納米顆粒的流體動(dòng)力學(xué)粒徑略有增加。研究者考察了不同金納米顆粒含量對(duì)GPS@Au NPs水凝膠貼片電導(dǎo)率的影響，發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率隨金納米顆粒含量增加呈先升后降趨勢(shì)，在0.1 mg/mL濃度下達(dá)到最佳。該水凝膠貼片通過席夫堿反應(yīng)實(shí)現(xiàn)交聯(lián)，具有良好的透明性，能夠清晰看到下方的血管結(jié)構(gòu)，便于術(shù)中及術(shù)后監(jiān)測(cè)貼片與心臟的整合情況。貼片在豬心表面展現(xiàn)出優(yōu)異的粘附狀態(tài)和柔順貼合能力。

圖1. Au NPs和GPS@Au NPs水凝膠貼片的表征。 (a) Au NPs和Cys@Au NPs的TEM形貌表征及(b) EDS元素分布譜圖。(c) Cys@Au NPs的XPS全譜和S 2p高分辨譜圖。(d) Au NPs和Cys@Au NPs的流體動(dòng)力學(xué)粒徑。(e) 不同Au NPs含量對(duì)GPS@Au NPs水凝膠貼片電導(dǎo)率的影響。(f) GPS@Au NPs貼片合成示意圖。(g) 3D打印樹脂模型的設(shè)計(jì)理念和STL預(yù)覽效果。(h) 水凝膠貼片的凝膠化示意圖及其在豬心臟表面的粘附狀態(tài)。(i) 水凝膠貼片的高透明度。

在力學(xué)性能與自愈合特性方面，掃描電鏡圖像顯示，隨著金納米顆粒含量增加，水凝膠的孔徑顯著減小，孔結(jié)構(gòu)更加致密均勻，這歸因于金納米顆粒作為額外交聯(lián)點(diǎn)在聚合物鏈間起到橋接作用。粘附力-位移曲線表明，貼片的粘附強(qiáng)度隨金納米顆粒含量增加而提高，而樹蛙足結(jié)構(gòu)的引入進(jìn)一步增強(qiáng)了這一效果——該結(jié)構(gòu)能有效增強(qiáng)與組織表面的物理互鎖，減少界面水的干擾。壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示，隨著金納米顆粒含量增加，水凝膠貼片的壓縮模量顯著降低，壓縮極限從75%提高至95%，材料在95%變形后仍能回彈至原始狀態(tài)的60%。拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線則表明，金納米顆粒的加入使拉伸強(qiáng)度顯著提高，斷裂伸長(zhǎng)率最高可達(dá)750%。含有0.1%金納米顆粒的水凝膠貼片在150%變形下進(jìn)行5次循環(huán)拉伸測(cè)試，應(yīng)力-應(yīng)變曲線未見明顯變化。物理圖像直觀展示了水凝膠貼片在高強(qiáng)度壓縮后仍能大幅恢復(fù)原狀，且在氣球表面可隨充放氣過程拉伸至原始面積的約800%。自愈合實(shí)驗(yàn)的物理圖像和SEM顯微照片顯示，切斷后的水凝膠貼片能夠快速恢復(fù)原始形狀和功能，這歸因于水凝膠網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)可逆的氫鍵和席夫堿鍵。皮下植入SD大鼠的體重?fù)p失變化結(jié)果表明，植入40天后水凝膠貼片的質(zhì)量損失超過90%，證實(shí)其作為天然全降解綠色材料的潛力。

圖2. GPS@Au NPs水凝膠貼片的力學(xué)和自修復(fù)性能。 (a) 不同Cys@Au NPs含量的水凝膠貼片SEM圖像。(b) 不同Au NPs含量水凝膠貼片的粘附力-位移曲線及粘附強(qiáng)度比較。(c) 不同Au NPs含量水凝膠貼片的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(d) 含0.1% Au NPs水凝膠貼片的循環(huán)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(e) 不同Au NPs含量水凝膠貼片的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(f) 含0.1% Au NPs水凝膠貼片的循環(huán)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(g) 水凝膠貼片壓縮和拉伸測(cè)試的實(shí)物圖像。(h) GPS@Au NPs水凝膠貼片在氣球變形過程中的實(shí)物圖像。(i) GPS@Au NPs水凝膠貼片的自修復(fù)實(shí)物圖像和SEM顯微照片。(j) 皮下植入SD大鼠的水凝膠貼片隨時(shí)間變化的重量損失（n=3）。

在抗炎性能評(píng)估中，體外DPPH清除能力實(shí)驗(yàn)顯示，GPS和GPS@Au NPs水凝膠貼片均能在5分鐘內(nèi)達(dá)到100%的自由基清除率，與維生素C陽(yáng)性對(duì)照呈現(xiàn)相似的抗氧化趨勢(shì)。在LPS誘導(dǎo)的RAW264.7巨噬細(xì)胞炎癥模型中，GPS和GPS@Au NPs處理組顯著抑制了促炎細(xì)胞因子TNF-α的釋放（降至10.06±0.4 U/mL），同時(shí)促進(jìn)抗炎細(xì)胞因子IL-10的分泌（升至14.04±0.28 U/mL）。細(xì)胞內(nèi)活性氧熒光染色圖像及半定量結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，LPS模型組細(xì)胞熒光表達(dá)顯著增強(qiáng)（較對(duì)照組增加3.6倍），而GPS和GPS@Au NPs處理組活性氧生成顯著減少，流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)顯示細(xì)胞內(nèi)熒光表達(dá)平均降低43.7±4.5%。CD86和CD206雙染熒光圖像及流式細(xì)胞檢測(cè)結(jié)果顯示，水凝膠貼片處理使M2巨噬細(xì)胞（CD206+CD86-）比例從模型組的16.4%增至22%，M1巨噬細(xì)胞（CD206-CD86+）比例從13.5%降至2.23%，表明GPS@Au NPs水凝膠貼片能夠通過調(diào)節(jié)先天免疫細(xì)胞發(fā)揮顯著抗炎效應(yīng)。

圖3. GPS@Au NPs水凝膠貼片的抗炎性能。 (a) 體外DPPH清除能力。(b) 水凝膠與LPS誘導(dǎo)的RAW264.7細(xì)胞共培養(yǎng)后培養(yǎng)基中IL-10和TNF-α的表達(dá)水平（n=3）。(c) RAW264.7細(xì)胞內(nèi)ROS熒光的半定量結(jié)果。(d) LPS誘導(dǎo)下細(xì)胞內(nèi)ROS熒光染色。(e) CD86和CD206的雙染熒光圖像。(f) LPS誘導(dǎo)下細(xì)胞內(nèi)ROS的流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)。(g) LPS誘導(dǎo)下細(xì)胞的流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)，Q1事件代表CD206陽(yáng)性細(xì)胞，Q3事件代表CD86陽(yáng)性細(xì)胞。

在促血管生成能力評(píng)估方面，細(xì)胞劃痕實(shí)驗(yàn)顯示，水凝膠貼片上內(nèi)皮細(xì)胞的遷移速度顯著加快，24小時(shí)遷移率達(dá)98.3±4.2%，而對(duì)照組僅為31.5±3.8%。細(xì)胞侵襲實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)，水凝膠貼片增強(qiáng)了內(nèi)皮細(xì)胞的侵襲能力。Matrigel體外血管生成實(shí)驗(yàn)的光鏡圖像表明，GPS@Au NPs處理組的管狀結(jié)構(gòu)形成效率顯著提高，管長(zhǎng)度約為對(duì)照組的150%，節(jié)點(diǎn)數(shù)增至每視野28±2個(gè)。雞胚絨毛尿囊膜實(shí)驗(yàn)的光鏡圖像及定量分析顯示，水凝膠貼片能夠促進(jìn)雞胚絨毛尿囊膜周圍微血管的形成，處理組新生血管分支數(shù)達(dá)38±4支/mm2（對(duì)照組15±2支），血管面積比例增至41.3±3.5%（對(duì)照組18.7±2.1%）。

圖4. GPS@Au NPs水凝膠貼片的血管生成潛力。 (a) 細(xì)胞劃痕實(shí)驗(yàn)。(b) 細(xì)胞侵襲實(shí)驗(yàn)。(c) Matrigel體外血管生成實(shí)驗(yàn)。(d) 水凝膠在37℃下與雞胚絨毛尿囊膜表面共培養(yǎng)3天的光鏡圖像。(e) 24小時(shí)后EC的遷移面積。(f) EC的遷移率。(g) Matrigel血管生成實(shí)驗(yàn)中總管長(zhǎng)和分支數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，陰性對(duì)照：生理鹽水；陽(yáng)性對(duì)照：NaOH溶液。(h) 測(cè)試環(huán)內(nèi)血管分支數(shù)和面積比例的統(tǒng)計(jì)分析。

在心肌細(xì)胞修復(fù)能力方面，研究者利用缺氧/復(fù)氧模型評(píng)估了GPS@Au NPs水凝膠貼片對(duì)受損心肌細(xì)胞的修復(fù)效果。結(jié)果顯示，在不同血清濃度條件下，H/R模型顯著影響心肌細(xì)胞活力并增加乳酸脫氫酶釋放。在水凝膠貼片共培養(yǎng)條件下，細(xì)胞活力得到恢復(fù)，超氧化物歧化酶活性恢復(fù)至正常組的57.3±4.8%（模型組為41.3±3.9%）。PCNA熒光圖像及半定量分析顯示，水凝膠貼片組PCNA表達(dá)較H/R模型組增加4.3倍，提示心肌細(xì)胞增殖能力得到恢復(fù)。CX43蛋白熒光圖像及半定量分析進(jìn)一步表明，GPS@Au NPs組CX43表達(dá)較模型組增加4倍，意味著心肌細(xì)胞間的電信號(hào)傳導(dǎo)和代謝耦合得到增強(qiáng)。

圖5. GPS@Au NPs水凝膠貼片對(duì)心肌細(xì)胞的修復(fù)能力。 (a) 不同血清濃度在H/R條件下對(duì)細(xì)胞活力和LDH釋放的影響。(b) H/R條件下水凝膠貼片對(duì)細(xì)胞活力和LDH釋放的影響。(c) H/R條件下水凝膠貼片對(duì)SOD酶釋放的影響。(d) H/R條件下心肌細(xì)胞中PCNA表達(dá)的熒光圖像。(e) PCNA熒光的半定量分析。(f) H/R條件下心肌細(xì)胞中CX43蛋白的表達(dá)。(g) CX43熒光的半定量分析（n=3，***p<0.001）。

轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果揭示了GPS@Au NPs水凝膠貼片對(duì)心肌細(xì)胞的潛在調(diào)控機(jī)制。維恩圖顯示，GPS@Au NPs組有406個(gè)獨(dú)特基因表達(dá)。差異表達(dá)基因火山圖表明，與模型組相比，GPS@Au NPs組有2351個(gè)差異表達(dá)基因，其中803個(gè)上調(diào)、1548個(gè)下調(diào)。熱圖直觀展示了各樣本間目標(biāo)基因的表達(dá)差異。GO分析富集氣泡圖揭示了差異表達(dá)基因在生物過程（信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、磷酸化、心臟功能）、細(xì)胞組分（細(xì)胞外區(qū)域和細(xì)胞外空間）和分子功能（能量轉(zhuǎn)換、蛋白質(zhì)結(jié)合）中的富集情況。KEGG分析富集氣泡圖進(jìn)一步表明，在H/R心肌細(xì)胞模型中，HIF通路相關(guān)基因表達(dá)發(fā)生顯著變化，這些基因參與缺氧適應(yīng)、能量代謝、血管生成和炎癥等關(guān)鍵生物過程。GPS@Au NPs通過HIF、PI3K-Akt、NF-κB和MAPK信號(hào)通路的交互作用，實(shí)現(xiàn)代謝重編程、炎癥調(diào)控和血管生成修復(fù)的多重效應(yīng)。

圖6. GPS@Au NPs水凝膠貼片在H/R模型下對(duì)心肌細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果。 (a) Venn圖。(b) 樣本間RNA差異表達(dá)分析的熱圖。紅色代表上調(diào)基因，藍(lán)色代表下調(diào)基因，顏色強(qiáng)度代表log10（log+1）值。(c) “GPS@Au NPs水凝膠處理組”與“H/R模型組”差異表達(dá)基因的火山圖，紅色表示上調(diào)基因，藍(lán)色表示下調(diào)基因。(d) GPS@Au NPs組與MI組之間RNA差異表達(dá)的基因本體論分析氣泡圖。(e) GPS@Au NPs組與MI組之間RNA差異表達(dá)的京都基因與基因組百科全書富集分析氣泡圖。

在心肌梗死模型體內(nèi)修復(fù)效果評(píng)估中，小鼠心肌梗死模型構(gòu)建及心臟貼片植入過程的示意圖清晰展示了實(shí)驗(yàn)流程。代表性超聲心動(dòng)圖及心功能參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，MI組心功能顯著下降，射血分?jǐn)?shù)和短軸縮短率明顯降低，左心室內(nèi)徑顯著增大。GPS組EF和FS分別恢復(fù)至45.3%±2.8%和22.1%±1.7%，而GPS@Au NPs組表現(xiàn)出更顯著的改善（EF 73.7%±3.2%，F(xiàn)S 67.6%±2.3%）。心室重構(gòu)指標(biāo)顯示，GPS@Au NPs組的LVIDd和LVIDs較MI組分別降低41.3%和60.3%。心內(nèi)電刺激實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GPS@Au NPs組的室性心動(dòng)過速誘導(dǎo)率和持續(xù)時(shí)間顯著低于其他組，QRS波群間期也顯著縮短。微電極陣列記錄顯示，GPS@Au NPs組的心房電傳導(dǎo)呈均勻有序特征，能夠在梗死區(qū)構(gòu)建電傳導(dǎo)橋梁。

圖7. GPS@Au NPs水凝膠貼片對(duì)心功能恢復(fù)的體內(nèi)評(píng)估。 (a) 小鼠心肌梗死模型構(gòu)建示意圖。(b) 心臟貼片植入過程示意圖。(c) 小鼠心臟的代表性超聲心動(dòng)圖。(d) 植入后28天的左心室功能參數(shù)：射血分?jǐn)?shù)、短軸縮短率、左心室內(nèi)徑收縮期和左心室內(nèi)徑舒張期（n>3，**p<0.001）。

圖8. GPS@Au NPs水凝膠貼片改善心肌梗死后的心電耦合。 (a) 電刺激后室性心動(dòng)過速誘發(fā)率和持續(xù)時(shí)間。(b) 微電極陣列記錄局部電位示意圖。(c) 左心室局部電位激活圖。(d) 電傳導(dǎo)不均勻指數(shù)。(e) 電傳導(dǎo)速度。(f) QRS波群間期。

心臟大體形態(tài)圖像及Masson三色染色結(jié)果顯示，GPS@Au NPs復(fù)合水凝膠治療組的梗死面積比僅為18.75±2.75%（MI組為58.55±2.21%），左心室壁厚度增加，纖維化面積顯著減少。小麥胚芽凝集素組織熒光染色圖像及定量分析表明，GPS@Au NPs組梗死遠(yuǎn)區(qū)心肌細(xì)胞橫截面積為535.33±51.86 μm2，較MI組（645.33±62.83 μm2）降低17.1%，與假手術(shù)組無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。CX43組織熒光圖像及Western blot條帶與灰度值統(tǒng)計(jì)分析顯示，GPS@Au NPs組心肌組織中CX43表達(dá)密度較MI組增加1.8倍。心肌血管重建評(píng)估的免疫熒光染色圖像（α-SMA綠色，VWF紅色）及半定量分析表明，GPS@Au NPs水凝膠通過雙機(jī)制促進(jìn)血管生成：α-SMA表達(dá)較MI組增加54%，VWF表達(dá)較MI組增加57.1%。

圖9. GPS@Au NPs水凝膠貼片植入28天后小鼠心臟的形態(tài)學(xué)分析。 (a) 心臟大體圖像。(b) Masson三色染色結(jié)果。(c) 麥胚凝集素組織熒光染色圖像。(d) 心肌組織CX43表達(dá)熒光圖像。(e) 不同組間梗死遠(yuǎn)端區(qū)橫截面積比較（n=6，*p<0.001）。(f) 心肌組織CX43蛋白Western blot條帶及灰度值統(tǒng)計(jì)分析（n=4，*p<0.001）。 圖10. GPS@Au NPs水凝膠貼片植入28天后心肌血管重構(gòu)評(píng)估。 (a) 免疫熒光染色圖像（綠色：α-SMA；紅色：VWF）。(b,c) 半定量熒光分析（n=6，**p<0.001）。

綜上所述，該研究基于高密度納米凝膠，以金屬-硫配位鍵修飾的導(dǎo)電金納米顆粒作為交聯(lián)劑，交聯(lián)新型天然葛根多糖改性聚合物，結(jié)合3D打印與仿生技術(shù)，設(shè)計(jì)并制備了力學(xué)性能可調(diào)的分子組裝中藥功能化水凝膠心臟貼片。其力學(xué)強(qiáng)度達(dá)2292 kPa，電導(dǎo)率達(dá)125 S/m，仿生結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了26 kPa的強(qiáng)組織側(cè)粘附。在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，梗死面積顯著減小至18.75%（MI對(duì)照組為58.55%），心功能顯著恢復(fù)（EF達(dá)73.7%，而僅GPS組為45.3%）。葛根多糖作為天然植物基聚合物，具有非免疫原性和環(huán)境友好特性，通過材料化學(xué)策略實(shí)現(xiàn)從“藥物分子”到“介入功能材料”的轉(zhuǎn)化，為心肌梗死建立了有效的中藥-器械一體化治療平臺(tái)。研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)指出，為應(yīng)對(duì)潛在的轉(zhuǎn)化挑戰(zhàn)（如免疫反應(yīng)和體內(nèi)降解動(dòng)力學(xué)），仍需在大動(dòng)物模型中進(jìn)一步驗(yàn)證并開展長(zhǎng)期生物相容性評(píng)估。