AFM二维磷化锗增强导电生物降解水凝胶支架增强脊髓损伤修复

　　【摘要】
　　开发可生物降解的导电水凝胶对于修复心肌、骨骼肌和神经等电活性组织具有重要意义。然而，复合水凝胶中常规的导电相掺入，如聚吡咯、聚苯胺、碳纳米管、石墨烯和金纳米线等不可降解材料，将作为异物存在于体内。最近， 燕山大学 Congpu Mu/柳忠元教授 ,与华中科技大学 罗志强教授 团队合作 共同 探索了一种基于导电性和可生物降解的磷化锗 (GeP) 纳米片与粘合透明质酸-移植物-多巴胺 (HA-DA) 水凝胶基质集成的可注射水凝胶，并探索了该生物混合水凝胶在脊髓损伤中的成功应用(SCI) 修复显示。 将聚多巴胺（PDA）修饰的 GeP 纳米片（GeP@PDA）掺入 HA-DA 水凝胶基质中，显着提高了 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶的电导率。
　　导电的 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶可以在体外加速神经干细胞 (NSC) 向神经元的分化。在大鼠 SCI 完全横断模型中，发现体内植入的 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶显着改善运动功能的恢复。免疫组织荧光研究表明，HA-DA/GeP@PDA 水凝胶可促进病变区域的免疫调节、内源性血管生成和内源性 NSC 神经发生。将导电和可生物降解的 GeP 纳米材料整合到可注射水凝胶中的策略为设计用于 SCI 修复的先进生物材料提供了新的见解。相关论文以题为  Two-Dimensional-Germanium Phosphide-Reinforced Conductive and Biodegradable Hydrogel Scaffolds Enhance Spinal Cord Injury Repair  发表在《 Advanced Functional Materials 》上。
　　【主图导读】
　　图1  A) GeP@PDA 纳米片、B) HA-DA 聚合物和 C) HA-DA/GeP@PDA 导电水凝胶的制备方案。D) 可注射和导电的 HA-DA/GeP@PDA 生物混合水凝胶在脊髓损伤修复中的应用示意图。
　　图2 GeP 和 GeP@PDA 纳米片的表征 。A) GeP 纳米片的 SEM 图像。B) GeP 纳米片的 TEM 图像。C) GeP 纳米片的 AFM 图像和 D) GeP 纳米片的测量厚度。E-H) GeP 纳米片的 STEM 图像和 STEM-EDX 元素映射图像。I) GeP 纳米片的 XRD。J) 拉曼光谱和 K) GeP 和 GeP@PDA 纳米片的 FTIR 光谱。L) GeP 和 GeP@PDA 纳米片的 Zeta 电位。M) GeP 和 GeP@PDA 纳米片在水分散体中的紫外可见吸收光谱。分散在去离子水中并暴露在空气中 1、3、5、7、14 和 21 天的 N) 原始 GeP 纳米片和O) GeP@PDA 纳米片的紫外可见吸收光谱。P) GeP 和 GeP@PDA 水分散体在 1、3、5、7、14 和 21 天时在 550 nm (A/A0) 处吸收率的变化。
　　图3 HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 可注射水凝胶的表征。 A) HA 和 HA-DA 聚合物的 1H-NMR 数据。B) HA-DA/GeP@PDA 预聚物和水凝胶的照片。C) HA-DA/GeP@PDA 水凝胶的照片，采用 26 号针头注射工艺制备。D) HA-DA、E) HA-DA/GeP@PDA(0.25%) 和 F) HA-DA/GeP@PDA(0.5%) 的 SEM 图像。G) HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶的粘度，剪切速率为 0.1 到 100 s-1。H) HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶的储能模量 (G＂) 和损耗模量 (G＂)。I) 三种水凝胶在完全膨胀状态下压缩的弹性模量。J) HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶的电导率。K) Nyquist 曲线和 L) HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶的阻抗谱。
　　图4 HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶的细胞相容性。 A-C) 接种在 HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶上的 NSC 的活/死细胞染色。活细胞被染成绿色，死细胞被染成红色（比例尺 = 100 µm）。D-F）在 HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶上培养的 MSC 的共聚焦荧光图像。F-肌动蛋白和细胞核分别用荧光红色和蓝色标记（比例尺 = 100 µm）。G) 在增殖培养基中培养 1、3 和 5 天后，HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶上 NSC 的细胞活力。
　　图5 HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶上的体外 NSC 分化。 A) HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶上免疫染色细胞的共聚焦荧光显微照片。B-E) 借助 ImageJ 软件对 Nestin、GFAP、Tuj1 和 MAP2 免疫染色图像的平均光强度进行统计分析。分别对 HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶上的神经特异性基因 F) Nestin、G) GFAP、H) Tuj1 和 I) MAP2 的表达水平进行 qPCR 分析。
　　图6 用导电 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶治疗后 SCI 大鼠的运动功能恢复。 A) 假手术组、SCI 组和水凝胶组中大鼠的代表性足迹。B) 术后第 6 周大鼠的功能恢复情况，通过 BBB 评分进行评估。C) SCI 大鼠在手术后第 6 周的典型后肢扩张状态。D) 对术后第 6 周收集的脊髓纵切面进行组织学检查。
　　图7 导电水凝胶植入促进内源性血管生成和免疫调节。 从 A1、A3) SCI、B1、B3) HA-DA 水凝胶和 C1、C3、D1、D3) HA-DA/GeP@PDA 水凝胶组中的大鼠获得的纵向脊髓切片的免疫组织荧光图像。A2-D2,A4-D4) 方框区域是来自 SCI 大鼠病变中心的代表性放大免疫荧光图像。比例尺表示 1 mm in (A1–D1,A3–D3) 和 100 µm in (A2–D2,A4–D4)。E) IL-10、F) TNF-a、G) CD31 和 H) VEGF 免疫荧光的定量分析。I) IL-10、J) TNF-a、K) CD31 和 L) 通过 qRT-PCR 评估的脊髓标本中的 VEGF 基因表达水平。
　　图8 导电水凝胶植入促进内源性神经发生。 术后第 6 周从 A1、A3) SCI、B1、B3) HA-DA 水凝胶和 C1、C3、D1、D3) HA-DA/GeP@PDA 水凝胶组中获得的纵向脊髓切片的免疫组织荧光图像手术 A2-D2,A4-D4) 方框区域是来自 SCI 大鼠病变中心的代表性放大免疫荧光图像。E) Tuj1、F) GFAP、G) NF200 和 H) MAP2 免疫荧光的定量分析。I) Tuj1、J) GFAP、K) NF200 和 L) 通过 qRT-PCR 评估的脊髓标本中的 MAP2 基因表达水平。
　　【总结】
　　开发了一种基于在 HA 水凝胶基质中掺入导电和可生物降解的 GeP 纳米片的可注射水凝胶，并且制备的具有可注射、可生物降解、导电和粘合特性的 HA-DA/GeP@PDA 生物混合水凝胶在脊髓损伤修复。HA-DA/GeP@PDA 水凝胶表现出优异的生物相容性，并在体外加速 NSC 向神经元的分化。体内植入的 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶可以激活病变区域的内源性 NSC 神经发生并改善大鼠脊髓损伤模型中运动功能的恢复。此外，HA-DA/GeP@PDA 水凝胶可以在组织再生过程中诱导免疫调节和内源性血管生成。将导电和可生物降解的 GeP 纳米材料结合到生物相容性水凝胶中，将为先进生物材料的设计提供新的见解，这些材料在电活性组织的组织工程中的广泛应用，如心肌、骨骼肌和神经。
　　参考文献 ：
　　doi.org/10.1002/adfm.202104440
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