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”級聯(lián)反應(yīng)會導致左心室重構(gòu)，最終走向心力衰竭。盡管當前治療策略已向多靶點干預邁進——納米顆粒遞送系統(tǒng)利用EPR效應(yīng)在梗死區(qū)聚集，細胞片層療法直接移植功能性細胞——但納米系統(tǒng)在動態(tài)心臟微環(huán)境中滯留率低，細胞片層則需復雜體外培養(yǎng)且機械適配性差。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：力學性能與心肌動態(tài)收縮在時空上匹配不足（疲勞抗力普遍低于心肌組織所需的50 kPa閾值，濕態(tài)粘附強度<1 kPa）。

針對上述挑戰(zhàn)，西南交通大學趙安莎教授、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，整合納米毒理學增強與微納仿生技術(shù)，通過動態(tài)席夫堿交聯(lián)構(gòu)建氧化葛根多糖/明膠復合網(wǎng)絡(luò)，并引入半胱胺修飾的金納米顆粒形成導電通路。在此基礎(chǔ)上，進一步利用3D打印構(gòu)建了模擬樹蛙足墊的拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了力學性能、電信號傳導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。

研究團隊首先對金納米顆粒及復合水凝膠進行了系統(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元素分布譜圖證實了金元素與硫元素的均勻分布，XPS全譜及S 2p高分辨譜進一步驗證了金-硫配位鍵的形成。動態(tài)光散射結(jié)果表明，半胱胺修飾后金納米顆粒的流體動力學粒徑略有增加。研究者考察了不同金納米顆粒含量對GPS@Au NPs水凝膠貼片電導率的影響，發(fā)現(xiàn)電導率隨金納米顆粒含量增加呈先升后降趨勢，在0.1 mg/mL濃度下達到最佳。該水凝膠貼片通過席夫堿反應(yīng)實現(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的流體動力學粒徑。(e) 不同Au NPs含量對GPS@Au NPs水凝膠貼片電導率的影響。(f) GPS@Au NPs貼片合成示意圖。(g) 3D打印樹脂模型的設(shè)計理念和STL預覽效果。(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)的引入進一步增強了這一效果——該結(jié)構(gòu)能有效增強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度顯著提高，斷裂伸長率最高可達750%。含有0.1%金納米顆粒的水凝膠貼片在150%變形下進行5次循環(huán)拉伸測試，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度壓縮后仍能大幅恢復原狀，且在氣球表面可隨充放氣過程拉伸至原始面積的約800%。自愈合實驗的物理圖像和SEM顯微照片顯示，切斷后的水凝膠貼片能夠快速恢復原始形狀和功能，這歸因于水凝膠網(wǎng)絡(luò)中動態(tài)可逆的氫鍵和席夫堿鍵。皮下植入SD大鼠的體重損失變化結(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水凝膠貼片的力學和自修復性能。 (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試的實物圖像。(h) GPS@Au NPs水凝膠貼片在氣球變形過程中的實物圖像。(i) GPS@Au NPs水凝膠貼片的自修復實物圖像和SEM顯微照片。(j) 皮下植入SD大鼠的水凝膠貼片隨時間變化的重量損失（n=3）。

在抗炎性能評估中，體外DPPH清除能力實驗顯示，GPS和GPS@Au NPs水凝膠貼片均能在5分鐘內(nèi)達到100%的自由基清除率，與維生素C陽性對照呈現(xiàn)相似的抗氧化趨勢。在LPS誘導的RAW264.7巨噬細胞炎癥模型中，GPS和GPS@Au NPs處理組顯著抑制了促炎細胞因子TNF-α的釋放（降至10.06±0.4 U/mL），同時促進抗炎細胞因子IL-10的分泌（升至14.04±0.28 U/mL）。細胞內(nèi)活性氧熒光染色圖像及半定量結(jié)果進一步證實，LPS模型組細胞熒光表達顯著增強（較對照組增加3.6倍），而GPS和GPS@Au NPs處理組活性氧生成顯著減少，流式細胞術(shù)檢測顯示細胞內(nèi)熒光表達平均降低43.7±4.5%。CD86和CD206雙染熒光圖像及流式細胞檢測結(jié)果顯示，水凝膠貼片處理使M2巨噬細胞（CD206+CD86-）比例從模型組的16.4%增至22%，M1巨噬細胞（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誘導的RAW264.7細胞共培養(yǎng)后培養(yǎng)基中IL-10和TNF-α的表達水平（n=3）。(c) RAW264.7細胞內(nèi)ROS熒光的半定量結(jié)果。(d) LPS誘導下細胞內(nèi)ROS熒光染色。(e) CD86和CD206的雙染熒光圖像。(f) LPS誘導下細胞內(nèi)ROS的流式細胞術(shù)檢測。(g) LPS誘導下細胞的流式細胞術(shù)檢測，Q1事件代表CD206陽性細胞，Q3事件代表CD86陽性細胞。

在促血管生成能力評估方面，細胞劃痕實驗顯示，水凝膠貼片上內(nèi)皮細胞的遷移速度顯著加快，24小時遷移率達98.3±4.2%，而對照組僅為31.5±3.8%。細胞侵襲實驗進一步證實，水凝膠貼片增強了內(nèi)皮細胞的侵襲能力。Matrigel體外血管生成實驗的光鏡圖像表明，GPS@Au NPs處理組的管狀結(jié)構(gòu)形成效率顯著提高，管長度約為對照組的150%，節(jié)點數(shù)增至每視野28±2個。雞胚絨毛尿囊膜實驗的光鏡圖像及定量分析顯示，水凝膠貼片能夠促進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38±4支/mm2（對照組15±2支），血管面積比例增至41.3±3.5%（對照組18.7±2.1%）。

圖4. GPS@Au NPs水凝膠貼片的血管生成潛力。 (a) 細胞劃痕實驗。(b) 細胞侵襲實驗。(c) Matrigel體外血管生成實驗。(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小時后EC的遷移面積。(f) EC的遷移率。(g) Matrigel血管生成實驗中總管長和分支數(shù)的統(tǒng)計分析，陰性對照：生理鹽水；陽性對照：NaOH溶液。(h) 測試環(huán)內(nèi)血管分支數(shù)和面積比例的統(tǒng)計分析。

在心肌細胞修復能力方面，研究者利用缺氧/復氧模型評估了GPS@Au NPs水凝膠貼片對受損心肌細胞的修復效果。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，細胞活力得到恢復，超氧化物歧化酶活性恢復至正常組的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表達較H/R模型組增加4.3倍，提示心肌細胞增殖能力得到恢復。CX43蛋白熒光圖像及半定量分析進一步表明，GPS@Au NPs組CX43表達較模型組增加4倍，意味著心肌細胞間的電信號傳導和代謝耦合得到增強。

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

轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果揭示了GPS@Au NPs水凝膠貼片對心肌細胞的潛在調(diào)控機制。維恩圖顯示，GPS@Au NPs組有406個獨特基因表達。差異表達基因火山圖表明，與模型組相比，GPS@Au NPs組有2351個差異表達基因，其中803個上調(diào)、1548個下調(diào)。熱圖直觀展示了各樣本間目標基因的表達差異。GO分析富集氣泡圖揭示了差異表達基因在生物過程（信號轉(zhuǎn)導、磷酸化、心臟功能）、細胞組分（細胞外區(qū)域和細胞外空間）和分子功能（能量轉(zhuǎn)換、蛋白質(zhì)結(jié)合）中的富集情況。KEGG分析富集氣泡圖進一步表明，在H/R心肌細胞模型中，HIF通路相關(guān)基因表達發(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信號通路的交互作用，實現(xiàn)代謝重編程、炎癥調(diào)控和血管生成修復的多重效應(yīng)。

圖6. GPS@Au NPs水凝膠貼片在H/R模型下對心肌細胞的轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果。 (a) Venn圖。(b) 樣本間RNA差異表達分析的熱圖。紅色代表上調(diào)基因，藍色代表下調(diào)基因，顏色強度代表log10（log+1）值。(c) “GPS@Au NPs水凝膠處理組”與“H/R模型組”差異表達基因的火山圖，紅色表示上調(diào)基因，藍色表示下調(diào)基因。(d) GPS@Au NPs組與MI組之間RNA差異表達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)修復效果評估中，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驗流程。代表性超聲心動圖及心功能參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果顯示，MI組心功能顯著下降，射血分數(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)電刺激實驗結(jié)果表明，GPS@Au NPs組的室性心動過速誘導率和持續(xù)時間顯著低于其他組，QRS波群間期也顯著縮短。微電極陣列記錄顯示，GPS@Au NPs組的心房電傳導呈均勻有序特征，能夠在梗死區(qū)構(gòu)建電傳導橋梁。

圖7. GPS@Au NPs水凝膠貼片對心功能恢復的體內(nèi)評估。 (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圖。(d) 植入后28天的左心室功能參數(shù)：射血分數(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) 電刺激后室性心動過速誘發(fā)率和持續(xù)時間。(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) 電傳導不均勻指數(shù)。(e) 電傳導速度。(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組梗死遠區(qū)心肌細胞橫截面積為535.33±51.86 μm2，較MI組（645.33±62.83 μm2）降低17.1%，與假手術(shù)組無統(tǒng)計學差異。CX43組織熒光圖像及Western blot條帶與灰度值統(tǒng)計分析顯示，GPS@Au NPs組心肌組織中CX43表達密度較MI組增加1.8倍。心肌血管重建評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水凝膠通過雙機制促進血管生成：α-SMA表達較MI組增加54%，VWF表達較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表達熒光圖像。(e) 不同組間梗死遠端區(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)計并制備了力學性能可調(diào)的分子組裝中藥功能化水凝膠心臟貼片。其力學強度達2292 kPa，電導率達125 S/m，仿生結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了26 kPa的強組織側(cè)粘附。在體內(nèi)實驗中，梗死面積顯著減小至18.75%（MI對照組為58.55%），心功能顯著恢復（EF達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，通過材料化學策略實現(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。研究團隊同時指出，為應(yīng)對潛在的轉(zhuǎn)化挑戰(zhàn)（如免疫反應(yīng)和體內(nèi)降解動力學），仍需在大動物模型中進一步驗證并開展長期生物相容性評估。