天津大学李俊杰教授团队《Nat. Commun.》：时序性粘附心脏贴片用于机械生理监测和电耦合治疗
心肌梗死是一种由缺血性动脉闭塞诱发的恶性疾病，由于其发病急、并发症复杂、致死率高，必须及早发现和治疗。目前，急需能实时跟踪心脏功能并提供针对性反馈治疗的生物电子设备，以控制病情恶化并将致命并发症降至最低。随着组织工程学和生物电子学的发展，可实现适形组织整合、在线精确诊断和同步组织再生的柔性电子水凝胶有望成为治疗心肌梗死的下一代平台。
近日，天津大学化工学院李俊杰教授团队报告了一种基于功能化聚苯胺的时序粘合水凝胶贴片（CAHP），能与潮湿的动态心外膜表面实现时空选择性和保形嵌入式整合。值得注意的是，CAHP具有高粘附韧性、快速自愈合能力和增强的电化学性能，有助于敏感地感知心脏机械生理学介导的微变形，并同时改善心肌纤维化诱导的电生理学。因此，灵活的CAHP平台可在线监测梗死心肌的舒张-收缩幅度和节律，同时通过电耦合疗法有效抑制心室重塑、促进血管再生和改善电生理功能（图1）。因此，这种诊断与治疗相结合的方法为心脏疾病提供了一种前景广阔的可监测治疗方案。
图1 时序性粘附贴片用于心肌梗死的诊疗一体化示意图
图2 功能化聚苯胺的结构与性能
研究团队通过侧链修饰策略合成了功能化聚苯胺（f-PANi），在生理介质中具有电活性和增强的亲水性，大大提高了导电聚合物在生物医学应用中的潜力。与聚苯胺（PANi）和硼化聚苯胺（b-PANi）相比，f-PANi 在水体系中表现出更强的静电斥力和更好的稳定性 （图1）。当硼酸侧链和羧基侧链共价接枝到疏水性PANi主干上时，水接触角降至30.6 ± 2.6°。亲水性f-PANi可通过静电稳定作用防止聚集，克服了传统PANi在水中难以分散的缺陷。另外，传统PANi的导电状态取决于酸性环境和小分子掺杂剂。硼酸盐和羧基侧链补偿了共轭结构上的电荷，使电子容易被激发，共轭体系中的迁移率增强，适用于电生理诊断和治疗用途的生物电子材料。
图3 时序性粘附水凝胶的非对称粘附机理和性能
f-PANi中的硼酸酯侧链和羧基侧链能自发地与聚乙烯醇（PVA）生成动态共价硼酸酯键和非共价氢键，从而诱导CAHP的原位形成，而无需在生理环境中进行额外的刺激。当CAHP前体溶液涂抹在心肌表面时，两亲的f-PANi会迅速吸收并清除抗粘连心包液，并主动穿透心外膜。CAHP中的化学和物理交联协同作用同时增强了内部凝聚力和界面交锁，从而牢牢地锚定在心肌上。基于主动扩散、界面交联和机械互锁的程序化粘附机制，使CAHP在初始凝胶状态下就能逐步与接触的心外膜形成强大的桥接网络（图3）。此外，在完全凝胶化后，CAHP还能抵御对侧非目标组织的附着。由于水凝胶与组织界面的连接稳定、顺应性，且具有动态、稳健的机械-电学网络，CAHP能将舒张-收缩介导的微变形转化为敏感的电阻信号变化。
图4 时序性粘附水凝胶力学性能和自愈合性能
侧链官能化赋予了导电聚合物协同可逆交联的能力，使CAHP能够在机械损伤后动态地重新排列，恢复电传导的原始渗流路径（图4）。分离的CAHP可在接触后迅速自主连接，抑制裂纹扩展。主要原因是动态共价硼酸酯键可以在不依赖外部刺激的情况下重新结合，从而产生强大的自愈力，快速补偿材料缺陷。此外，f-PANi和PVA之间可逆的氢键相互作用也有助于交联再结合。与其他自愈合导电聚合物水凝胶相比，f-PANi能够直接参与网络重塑，实现更高的机械和电自愈合效率。综合来看，与以往不兼容剪切稀化粘度和可支撑弹性的导电聚合物水凝胶相比，CAHP通过整合共价键和非共价键，明显改善了自愈合网络的机械性能，在可注射性、自愈合性、粘附性和机械模量方面具有全面优势，有助于制造微创、耐用和自愈合的柔性电子器件。
图5 时序性粘附水凝胶贴片原位记录心脏机械生理学
基于CAHP的柔性传感平台可以原位连续记录心脏机械生理学，监测心肌梗死异常心脏的搏动振幅和节律（图5）。CAHP用于心脏运动监测的优势来自三个方面：(1)保形粘附性，可精确顺应客体变形；(2)兼容的动态和柔性机械特性，可响应微妙的应力变化；(3)良好的电化学特性，可实现高力电耦合能力和保真微电流传输。另外，CAHP可以提高心肌细胞的钙瞬变速度，通过补偿纤维组织中的电传导来改善心肌纤维化引起的电生理功能障碍（图6）。因此，基于导电聚合物的CAHP可同时进行机械生理监测和电耦合治疗，为诊断和治疗心肌缺血提供了一体化方法。这种以医疗为导向的CAHP可继续服务于其他用于健康管理的可穿戴和植入式电子设备，促进基于水凝胶的生物电子诊断和治疗系统的临床转化。
图6 时序性粘附水凝胶贴片心肌修复效果和机制
该研究以题为“Chronological adhesive cardiac patch for synchronous mechanophysiological monitoring and electrocoupling therapy”的论文发表于国际知名期刊《Nature Communications》（DOI: 10.1038/s41467-023-42008-9）上。文章的第一作者为天津大学化工学院博士生于超杰，通讯作者为天津大学化工学院李俊杰教授、姚芳莲教授、张宏副教授和华北理工大学孙红教授。该工作得到了国家自然科学基金（U20A20261、52073205）和天津市研究生创新研究项目（2022BKY091）的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-42008-9
