导 语
近日，天津大学系统生物工程教育部重点实验室进行的一项研究：基于功能化聚苯胺的时序黏附水凝胶贴片(chronological adhesive hydrogel patch,CAHP)，实现了与湿润动态心外膜表面的嵌入结合，这种结合具备时序性与保形性。该研究成果发表在期刊《Nature Communications》上。
1、研究背景
心肌梗死是一种由缺血性动脉闭塞引起的恶性疾病，具有发病急、并发症复杂、致死率高等特点，需要早期发现和治疗。已有心外膜贴片能够实现同步电记录和刺激，然而无法克服体内电生理检测容易受到电磁干扰导致信号伪影的缺点，从而对心脏功能产生误判，且生物电子设备缺乏对缺血和纤维化病变进行深度修复的功能。导电聚合物基水凝胶可以响应性感知机械变形，同时补偿纤维组织的电传导以进行电耦联治疗。但是传统导电聚合物在疏水处理、酸掺杂环境和侵入性植入等方面的表现不理想。
2、研究概述
基于功能化导电聚合物的设计，研究团队设计了功能化聚苯胺基时序黏附水凝胶贴片。它可以实现心脏的同步机械生理监测和电耦合治疗，并牢固附着在心脏表面监测心脏的机械运动和电活动。
基于功能化导电聚合物的设计，研究团队设计了功能化聚苯胺基时序黏附水凝胶贴片。它可以实现心脏的同步机械生理监测和电耦合治疗，并牢固附着在心脏表面监测心脏的机械运动和电活动。
关键创新在于通过侧链修饰策略合成了功能化聚苯胺（functionalized polyaniline, f-PANi），从而增强了其在生理介质中的电活性和亲水性。这一进展显著提高了导电聚合物在生物医学应用中的潜力。f-PANi包含硼酸酯和羧基侧链，能够自发生成动态共价硼酸酯键和非共价氢键并与聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）结合。这一独特性使得CAHP能够在生理环境中原位形成，无需额外刺激。
图1：f-PANi的结构与性能（图片来自原文）
当CAHP的前体溶液涂布在心肌表面时，两亲性的f-PANi能够迅速吸附和去除抗粘附的心包液，从而渗透心外膜。CAHP利用协同的化学和物理交联机制，增强了内部内聚力和界面锁定力，使贴片牢固地锚定在心肌上。基于主动扩散、界面交联和机械锁定的程序化粘附机制，使得CAHP能够在初始凝胶状态下逐渐形成与心外膜之间的强大桥接网络。重要的是，一旦凝胶化过程完成，CAHP表现出对非靶组织的抗粘附性。
图2：CAHP的时序黏附性能及机理（图片来自原文）
CAHP还展示了通过增加心肌细胞钙瞬变速度来改善心肌梗死引起的心室电生理功能障碍的潜力。这是通过补偿纤维组织中的电传导来实现的。
该文献还介绍了此种水凝胶的制备方法与材料以及各特性参数的测量方法。
3、研究意义
这种按时间顺序的粘附方法具有广泛的适用性，可用于探索各种材料和医疗应用。基于导电聚合物的CAHP能够同时进行机械生理监测和电偶联治疗，为诊断和治疗心肌梗死提供了一种一体化方法。这种面向医疗的CAHP可以继续为其他可穿戴和植入式电子设备提供健康管理，有潜力修复其他电活性组织，如骨骼肌和神经。未来，无线、自供电和多模式集成将进一步促进基于水凝胶的生物电诊断和治疗系统的临床转化。
参考文献：Yu, C., Shi, M., He, S. et al. Chronological adhesive cardiac patch for synchronous mechanophysiological monitoring and electrocoupling therapy. Nat Commun 14, 6226 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42008-9
