《Chem.Sci.》综述：用于组织修复的导电水凝胶

人体内的所有细胞，不仅包括兴奋的神经和肌肉细胞，都能产生和接收稳态生物电信号，这些信号可以作为调控细胞数量（细胞增殖和凋亡）、位置（迁移和取向）和类型（细胞分化）的关键因素。例如，完整皮肤的跨上皮电位(TEP)为10-60毫伏，这在身体和表皮的不同部位之间是不同的。当皮肤受到损伤时，损伤部位的TEP被破坏，导致内源性电场(EF)从创面边缘向创面内部传导，刺激宿主细胞增殖和迁移，最终促进组织生长和再上皮化。这些在细胞和组织中电生理行为启发研究人员在分子水平上开发能够激活特定基因、刺激组织再生的新一代生物材料。

导电水凝胶（CHs）结合了水凝胶的优良特性和导电材料的生理和电化学特性，受到了广泛的关注。三维多孔结构、亲水性、可控的化学物理特性以及类似于组织细胞外基质的特性，使得CHs成为细胞生长、迁移和增殖的有利基质。此外，使用CHs不仅扩大了电流对整个伤口的覆盖范围，还克服了基于电极的电刺激策略在使用上的不便和高电压风险。另一方面，与不导电水凝胶不同,CHs具有高电导率和电化学氧化还原特性，可用于检测生物系统中产生的电信号以作为组织损伤部位动态监测的传感器，并通过增强电刺激调节细胞和组织的活动和功能。上述特性使CHs在组织修复方面具有独特的优势。因此，西安交通大学郭保林教授团队综述了导电水凝胶材料在组织修复中的应用。

图 1 CHs的制备、应用及组织修复机制

首先，作者简要介绍了碳基、导电聚合物基、金属基、离子型、复合型等不同类型CHs的设计与合成策略。基于碳基材料，如碳纳米管、石墨烯、活性炭、碳纤维和多孔碳等制备的CHs环境稳定性好、电导率高、生产成本低。导电聚合物如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等与水凝胶结合所制备的CHs大大拓展了疏水性导电聚合物在生物医学领域中的应用。金属及金属氧化物如金、银、锌等不仅具有导电性，还具有很强的抗菌性能。离子基CHs很好的模拟了生物系统通过离子传递连续信号的特性。多种类型复合制备的CHs也使导电水凝胶的性能更加丰富和优异。

其次，介绍了导电水凝胶应用的组织修复类型。CHs通过物理形态、化学和生物活性改善细胞行为，可以提供神经组织再生的适宜营养；导致肌肉组织的收缩活动；促进皮肤创面巨噬细胞、中性粒细胞和角质形成细胞的迁移；并提升对骨修复相关细胞的粘附、增殖和形态学的支持。

最后，对导电水凝胶敷料促进组织修复的机制做了分析。水凝胶具备的药物递送，导电成分所引入的光热抗菌，抗炎、刺激响应、实时监测以及对细胞增殖和组织修复相关通路的激活，均有效的改善了组织修复。

此外，该工作还对CHs应用于组织修复中可能会面临的问题挑战作了总结。生物相容性、力学性能、耐药菌威胁、基础疾病、患者的心理状态和伦理问题等，都是影响CHs临床转化的因素。其次，智能炎症调控、多参数分离检测、自发电以及探索导电材料与电刺激之间的深层次关系，都是进一步研究的方向。最后，作者期待在未来能有更多CHs走出实验室，走向临床。

相关研究成果以“Conductive Hydrogels for Tissue Repair”为题发表在Chemical Science杂志上（DOI: 10.1039/D3SC00145H, IF=9.969），该工作得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、金属材料强度国家重点实验室、中央高校世界一流大学（学科）和特色发展引导资金等项目的支持。西安交通大学前沿科学技术研究院助理教授梁永平为本文第一作者，通讯作者为郭保林教授。

封面来源：图虫创意