西南交大ACS Nano：新型葛根導電心臟貼片，仿生樹蛙足結構為心肌梗死治療帶來突破

急性心肌梗死作為全球心血管死亡的首要原因，其后引發的“缺血—炎癥—纖維化”級聯反應會導致左心室重構，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——納米顆粒遞送系統利用EPR效應在梗死區聚集，細胞片層療法直接移植功能性細胞——但納米系統在動態心臟微環境中滯留率低，細胞片層則需復雜體外培養且機械適配性差。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，濕態粘附強度<1 kPa）。

針對上述挑戰，西南交通大學趙安莎教授、成都市第三人民醫院Fu Jinjuan合作，開發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，通過動態席夫堿交聯構建氧化葛根多糖/明膠復合網絡，并引入半胱胺修飾的金納米顆粒形成導電通路。在此基礎上，進一步利用3D打印構建了模擬樹蛙足墊的拓撲結構，實現了力學性能、電信號傳導能力和生物功能的多維協同優化，將傳統中藥多糖從單純的“藥物分子”轉變為“功能性介入材料”。相關論文以“A Natural Pueraria─Based Conductive Cardiac Patch with Tree Frog Foot─Inspired Morphology for Myocardial Infarction Treatment”為題，發表在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表征。透射電鏡圖像顯示，平均直徑約10 nm的金納米顆粒經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。動態光散射結果表明，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，發現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實現交聯，具有良好的透明性，能夠清晰看到下方的血管結構，便于術中及術后監測貼片與心臟的整合情況。貼片在豬心表面展現出優異的粘附狀態和柔順貼合能力。

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。(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，孔結構更加致密均勻，這歸因于金納米顆粒作為額外交聯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，而樹蛙足結構的引入進一步增強了這一效果——該結構能有效增強與組織表面的物理互鎖，減少界面水的干擾。壓縮應力-應變曲線顯示，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的60%。拉伸應力-應變曲線則表明，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次循環拉伸測試，應力-應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，這歸因于水凝膠網絡中動態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果表明，植入40天后水凝膠貼片的質量損失超過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力-應變曲線。(d) 含0.1% Au NPs水凝膠貼片的循環壓縮應力-應變曲線。(e) 不同Au NPs含量水凝膠貼片的拉伸應力-應變曲線。(f) 含0.1% Au NPs水凝膠貼片的循環拉伸應力-應變曲線。(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分鐘內達到100%的自由基清除率，與維生素C陽性對照呈現相似的抗氧化趨勢。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）。細胞內活性氧熒光染色圖像及半定量結果進一步證實，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，流式細胞術檢測顯示細胞內熒光表達平均降低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節先天免疫細胞發揮顯著抗炎效應。

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細胞共培養后培養基中IL-10和TNF-α的表達水平（n=3）。(c) RAW264.7細胞內ROS熒光的半定量結果。(d) LPS誘導下細胞內ROS熒光染色。(e) CD86和CD206的雙染熒光圖像。(f) LPS誘導下細胞內ROS的流式細胞術檢測。(g) LPS誘導下細胞的流式細胞術檢測，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處理組的管狀結構形成效率顯著提高，管長度約為對照組的150%，節點數增至每視野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的統計分析，陰性對照：生理鹽水；陽性對照：NaOH溶液。(h) 測試環內血管分支數和面積比例的統計分析。

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）。

轉錄組測序結果揭示了GPS@Au NPs水凝膠貼片對心肌細胞的潛在調控機制。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、1548個下調。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（信號轉導、磷酸化、心臟功能）、細胞組分（細胞外區域和細胞外空間）和分子功能（能量轉換、蛋白質結合）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通路相關基因表達發生顯著變化，這些基因參與缺氧適應、能量代謝、血管生成和炎癥等關鍵生物過程。GPS@Au NPs通過HIF、PI3K-Akt、NF-κB和MAPK信號通路的交互作用，實現代謝重編程、炎癥調控和血管生成修復的多重效應。

圖6. GPS@Au NPs水凝膠貼片在H/R模型下對心肌細胞的轉錄組測序結果。 (a) Venn圖。(b) 樣本間RNA差異表達分析的熱圖。紅色代表上調基因，藍色代表下調基因，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，紅色表示上調基因，藍色表示下調基因。(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修復效果評估中，小鼠心肌梗死模型構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統計結果顯示，MI組心功能顯著下降，射血分數和短軸縮短率明顯降低，左心室內徑顯著增大。GPS組EF和FS分別恢復至45.3%±2.8%和22.1%±1.7%，而GPS@Au NPs組表現出更顯著的改善（EF 73.7%±3.2%，FS 67.6%±2.3%）。心室重構指標顯示，GPS@Au NPs組的LVIDd和LVIDs較MI組分別降低41.3%和60.3%。心內電刺激實驗結果表明，GPS@Au NPs組的室性心動過速誘導率和持續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，能夠在梗死區構建電傳導橋梁。

圖7. GPS@Au NPs水凝膠貼片對心功能恢復的體內評估。 (a) 小鼠心肌梗死模型構建示意圖。(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：射血分數、短軸縮短率、左心室內徑收縮期和左心室內徑舒張期（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率和持續時間。(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。(e) 電傳導速度。(f) QRS波群間期。

心臟大體形態圖像及Masson三色染色結果顯示，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%，與假手術組無統計學差異。CX43組織熒光圖像及Western blot條帶與灰度值統計分析顯示，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學分析。 (a) 心臟大體圖像。(b) Masson三色染色結果。(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劑，交聯新型天然葛根多糖改性聚合物，結合3D打印與仿生技術，設計并制備了力學性能可調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，仿生結構實現了26 kPa的強組織側粘附。在體內實驗中，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境友好特性，通過材料化學策略實現從“藥物分子”到“介入功能材料”的轉化，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，為應對潛在的轉化挑戰（如免疫反應和體內降解動力學），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。