西安交大郭保林教授课题组 CEJ：具有细胞招募和递送功能用于肌源性分化和骨骼肌再生的导电自愈合可生物降解水凝胶

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骨骼肌对于常见的损伤具有自我修复功能，但对于由战争、交通事故、肿瘤切除等造成的肌肉损失质量大于总量20%的体积性肌肉损失 (VML) 却无法通过固有的修复能力再生。因此，骨骼肌组织工程为治疗VML提供了新的前景。水凝胶由于具有疏松多孔的结构，有利于小分子物质的交换，能够模拟细胞外基质 (ECM) 成分，可为细胞提供适宜的生长环境等优势经常被应用于组织工程。但在骨骼肌修复应用中，水凝胶作为组织工程支架能够在损伤部位主动招募周围的干细胞和骨骼肌细胞，促进细胞肌源性分化和有效实现外源细胞递送是目前需要具备的性能。

近日，西安交通大学前沿科学技术研究院郭保林教授课题组在Chemical Engineering Journal  (IF: 16.744) 上发表了题为“Conductive self-healing biodegradable hydrogel based on hyaluronic acid-grafted-polyaniline as cell recruitment niches and cell delivery carrier for myogenic differentiation and skeletal muscle regeneration”的论文。文章的第一作者是西安交通大学前沿科学技术研究院的博士生史梦婷。该团队针对水凝胶支架的细胞招募、细胞肌源性分化和细胞递送的问题，设计并制备了一系列由氧化透明质酸 (OHA) 和接枝聚苯胺的氨基化透明质酸 (AHA-PANI)组成，并负载亮氨酸 (Leu) 作为生物活性小分子的具有细胞招募和递送功能，用于肌源性分化和骨骼肌再生的导电自愈合可生物降解水凝胶。这些水凝胶的杨氏模量、溶胀比和电导率可随PANI含量的变化而变化，其电导率可达6.21×10^-2 S/m，可以满足骨骼肌所需的电活性。PANI和Leu的加入使水凝胶具有更高的抗氧化率。动态酰腙键使水凝胶具有自愈合特性能，SEM结果显示水凝胶具有均匀的多孔形貌。此外，水凝胶具有良好的细胞相容性，为不同类型的细胞 (C2C12和hADSC) 提供了3D培养环境。添加Leu后，显著提高了水凝胶对于hADSC和C2C12细胞的招募效果，促进了C2C12细胞的肌源性分化，并实现了细胞的持续递送。体内实验结果表明，该水凝胶能够促进大鼠胫骨前肌缺损模型的骨骼肌再生，且具有良好的体内降解性，为骨骼肌修复提供了新思路。

示意图1 具有细胞招募、促进细胞肌源性分化和细胞递送功能的导电自愈合可生物降解水凝胶的组成及应用于大鼠胫骨前肌缺损的修复

图1 (a) HA、AHA和OHA/AHA- PANI水凝胶的FT-IR光谱图。(b) AHA- PANI聚合物中PNAI的接枝率。(c) 水凝胶的电导率。(d) 水凝胶的抗氧化性能。(e) 水凝胶在PBS中37℃ 溶胀平衡时的溶胀率。(f) 水凝胶的流变性能。(g) 在固定角频率（10 rad/s）下，25℃环境中水凝胶从小应变（γ = 0.1%）到大应变（γ = 700%）的交替应变扫描测试，每个应变间隔180 s。(h) 水凝胶在25℃ 的自愈合展示图。

图2 (a) OHA/ AHA-PANI水凝胶对C2C12细胞的招募作用； (b) OHA/ AHA-PANI水凝胶对hADSC细胞的招募作用。(c) 所有C2C12细胞穿过transwell膜上表面的绿色荧光面积百分比。(d) C2C12细胞穿过transwell膜每个深度区间的绿色荧光面积百分比。(e) 所有hADSC细胞穿过transwell膜上表面的绿色荧光面积的百分比。(f) hADSC细胞穿过transwell膜每个深度区间的绿色荧光面积的百分比。

图3 OHA/ AHA-PANI水凝胶诱导C2C12细胞分化。(a) C2C12细胞在TCP、OHA/AHA、OHA/ AHA-PANI2、OHA/ AHA-PANI2/Leu水凝胶共培养环境中分化7天的结果图。定量统计结果： (b) 每105 μm²的肌管数，(c) 肌管长度，(d) 肌管成熟指数（细胞核数量 ≥ 5个的肌管占总肌管数的百分比）。

图4 OHA/ AHA-PANI水凝胶在SD大鼠胫骨前肌缺损模型中治疗1周和4周的体内肌肉再生修复效果评价。(a) 水凝胶植入后1周和 (f) 4周的肌肉组织H&E染色图（黑色箭头:中核肌纤维；红色箭头:新生毛细血管）；(b) 1周和 (g) 4周对照组和水凝胶组的Masson染色图。(c) 治疗1周和 (h) 治疗4周后SD大鼠胫骨前肌缺损部位修复状况展示图。(d) 1周和 (i) 4周新生中核肌纤维数量统计。(e) 1周，(j) 4周新生毛细血管数量统计。(k) SD大鼠皮下埋植水凝胶展示图，(l) 皮下埋植水凝胶的剩余重量统计结果。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722065913?via%3Dihub

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