前言：
缺血引起的心肌梗死(MI)由于其发病率和死亡率高引起高度关注。心肌梗死后，心肌细胞发生凋亡、纤维化瘢痕形成和心室重构，严重损害心电传导和同步收缩功能，进而恶化为心律失常和心力衰竭。由于心肌再生能力受限，传统的冠状动脉干预对这些并发症的治疗效果有限，研究人员一直致力于探索组织工程的方式，开发与梗死心肌机电耦合良好的水凝胶补片以修复受损心肌。
近日，天津大学李俊杰教授，华北理工大学孙红教授和北京基础医学研究所Changyong Wang教授团队在《ACS NANO》发表了题目为：An Intrapericardial Injectable Hydrogel Patch for Mechanical–Electrical Coupling with Infarcted Myocardium的研究论文。
此研究中开发了一种用于心肌梗死后心脏修复的可注射机电耦合水凝胶补片(MEHP)，通过改善网络结构的均匀性、动态交联结构和界面湿粘附能力，改善水凝胶补片与梗死心肌的机电耦合性能。MEHP能增强心脏持续舒张收缩机制的自适应补偿能力，联合细胞治疗可有效防止心室纤维化和重构，促进新生血管，恢复电传导和同步收缩，促进心脏组织工程的临床转化。
Figure 1. 心包内注射MEHP用于心肌修复的示意图
关键词：
导电聚合物，可注射水凝胶，机电耦联，组织工程，心肌修复，心电标测
研究结果：
1.自掺杂b-PANi:凝胶水分散体系的构建
b-PANi:凝胶水分散体系具有自掺杂和水分散特性，为获得具有良好导电性和力学性能的医学工程水凝胶提供了前提条件。
Figure 2. b-PANi和b-PANi:Gel的表征
2. MEHP的心包内注射与自粘行为
动态共价硼酸酯键和可逆相互作用是形成MEHP的主要动力。PVA中丰富的顺-间羟基和b-PANi中的苯硼酸基团可以在不借助外界刺激和内部引发剂的情况下迅速酯化并诱导MEHP的形成。凝胶与b-PANi之间的氢键和静电相互作用进一步提高了水凝胶的稳定性。因此，MEHP结合了原位凝胶化行为和剪切减薄特性，可以快速制备完成，且方便注射到心包腔内。
这种定制的注射过程使MEHP在不受心外膜约束的情况下均匀地铺成一块补片，不需要缝线和胶就能够稳定地与动态变形的组织界面结合。这种微创手术更容易管理和操作，简化了心包腔内水凝胶的输送。心包固定和湿组织粘连保证了MEHP与组织界面的稳定整合，促进了界面与宿主心肌组织的机电相互作用。
Figure 3. 水凝胶注入程序和界面粘附
3. 抑制心室扩张和维持每搏输出量的机械耦合特性
高含水率的MEHP具有抗外力作用下的机械变形的拉伸和压缩性能。此外，由于具有可逆的动态交联结构，MEHP具有良好的自愈能力，这种自愈性可以抑制微裂纹的扩展并及时修复。MEHP植入心肌后，可弥补连续舒张收缩压状态引起的损伤缺陷。PVA的顺-间羟基和b-PANi的苯硼酸基团之间高度动态的硼酸酯键可以在没有外部物理刺激的情况下重新结合，并介导强大的愈合力，快速修复材料缺陷，使MEHP达到耐用性和长期稳定性。动态交联介导的自适应粘弹性对心肌舒张期和收缩期的应力和应变具有形状适应的响应，这种自适应的机械耦合与心肌舒张顺应相容，通过补偿力学和调节心室重塑，恢复脉动功能和泵血能力。
Figure 4. 抑制心室扩张和维持每搏输出量的机械耦合特性
4. 重建同步电生理传导的电耦合能力
MEHP具有氧化还原性能和较高的电荷存储能力，其次低界面阻抗、高电荷注入，组织匹配的电导率和灵敏度赋予MEHP在MI中补偿导电的巨大潜力。
文章中采用英国MappingLab公司的微电极阵列(MEA)记录了在5Hz电刺激下左心室的局部电位。根据各通道电信号的激活时间来证明MEHP对瘢痕组织电传导的影响。非导电性纤维瘢痕严重阻碍了电传导，延长了电激活时间，降低了局部电位幅值。MEHP提高了局域电位信号幅值、加速电活动在梗死心肌中的传导，缩短激活时间。此外，MEHP提高了Cx-43表达水平，提示MEHP促进了心肌电信号通路和电收缩耦合。
Figure 5.电耦合能力重建同步电生理传导
5. MEHP联合ADSCs对大鼠心肌梗死的治疗作用
MEHP创造了电耦合和动态机械微环境，促进内皮细胞增殖、粘附和迁移，以增强血管再生。此外， MEHP联合ADSCs可降低肝纤维化程度，抑制左心室重塑，促进血管再生。
Figure 6.不同处理方式治疗4周后对心肌形态和血管生成的修复作用
6. 心脏电生理和舒张收缩功能的协同恢复
非导电性纤维组织对电刺激和增殖不敏感，导致心室电生理功能障碍。MI组和MEHP组的心脏心尖电刺激，采用MappingLab公司的荧光标测系统标测动作电位和钙瞬变。绘制了激活时间的传导图，观察电信号在健康和梗死区域的传导。证明了MEHP能稳定、快速地将组织中离子信号转化为电信号，电信号通过非传导性瘢痕组织区域传递到下游区域，进一步快速激发存活的心肌细胞完成节律性收缩，促进电信号传导，恢复纤维瘢痕组织的电生理功能。多种方法共同验证了MEHP与ADSCs协同整合了机械、电和生物信号，以加速电传导，改善心功能。
Figure 7.不同处理方式治疗4周后心功能评价
研究结论：
MEHP联合细胞治疗可有效防止心室纤维化和重构，促进新生血管，恢复电传导和同步收缩，促进心脏组织工程的临床转化。本研究为心脏组织工程微创MEHP的设计和构建提供了一种方法，这种动态导电生物材料和机电耦合策略将为其他电活性组织修复提供希望。