Synergistic effects of thermoplastic polyurethane, chitosan, and polypyrrole in scaffold preparation for cardiac tissue engineering

当心脏遭受大规模攻击时，阻塞会切断血液供应，留下片状死亡且无法自我愈合的肌肉组织。与能够重新愈合的骨折不同，心肌自我再生的能力非常有限。一旦细胞死亡，它们就彻底消失了，取而代之的是无法泵血的僵硬瘢痕组织。为了解决这个问题，科学家们正在探索一种被称为组织工程的方法，旨在构建临时的、人工的结构，以支持新心细胞的生长并鼓励其发育。这些被称为“支架”的结构不仅要能将细胞固定在原位，还需要模拟心脏的自然环境——即一种柔软、具有弹性，并且不断发送电信号以维持心脏节律跳动的环境。挑战在于创造一种既足够强韧以承受心脏跳动带来的物理压力，又足够安全以被身体接受，且具备足够导电性以传递那些至关重要的电脉冲的材料。

在最近的一项研究中，研究人员试图通过将三种不同的材料混合成一张具有功能的单层薄片来创造这样一种支架。他们结合了一种以弹性著称的合成塑料、一种存在于甲壳类动物中的天然糖基聚合物，以及一种可以导电的特殊塑料。这种合成塑料——热塑性聚氨酯，提供了必要的拉伸性和耐用性。天然聚合物——壳聚糖，提供了一个活细胞能够识别并喜欢附着的表面。为了解决导电性问题，团队加入了聚吡咯，这是一种可以让电流流过的材料，其性质类似于导线，但可以以一种能与其他软材料混合的形式存在。他们还加入了两种常见的添加剂——海藻酸钠和葡萄糖酸钙，以帮助混合物保持形状并更好地与人体相互作用。目标是观察这种特定的组合是否能创造出一种稳定的、多孔的结构，既能支持心细胞生长，又能传导电流。

研究人员首先将这些成分溶解在各种溶剂中，并以不同的比例进行混合，以寻找完美的平衡点。他们发现，如果只是简单地混合塑料和天然聚合物而不加入其他成分，得到的薄片会过于致密，缺乏细胞呼吸和移动所需的微小孔隙（即孔洞）。然而，当他们引入添加剂和导电材料时，混合物发生了变化。添加剂有助于创造出一种具有相互连通孔隙的类海绵结构，这对于细胞渗透进材料内部至关重要。随着导电聚吡咯含量的增加，孔隙变得更小，材料表面也变得更加粗糙。这种粗糙度实际上是有益的，因为它为细胞提供了更多的附着表面，就像纹理表面比光滑表面能提供更好的抓地力一样。

至关重要的是，导电材料的加入改变了支架的电学特性。基础的塑料与天然聚合物混合物完全不导电。但只要加入聚吡咯，薄片就能承载电流。加入的聚吡咯越多，薄片的导电性能就越好。这是一个至关重要的发现，因为心细胞依赖电信号来协调跳动；一个无法导电的支架将无法支持心脏的自然节律。团队还测试了该材料与水的相互作用。虽然基础混合物排斥水，但导电材料的加入使表面变得更亲水，这通常有助于细胞更容易地附着和扩散。

为了测试这些新材料是否安全有效，研究人员在实验室环境下将其应用于活体心细胞和血管细胞。他们发现，细胞不仅在支架上存活了下来，而且生长良好，并牢固地附着在表面上。心细胞保持了其特征性的形状，甚至开始表现出开发用于收缩的内部结构的迹象。研究还观察了支架随时间降解的情况。这些材料被设计为生物可降解的，这意味着它们会随着新组织的形成而缓慢溶解。结果显示，含有导电材料的支架比基础混合物降解得稍快，这可能是因为它们吸收了更多的水分。这表明它们消失的速度可以与新心组织的生长速度相匹配。

除了支持心细胞外，研究人员还调查了支架是否能促进新血管的生长，这一过程被称为血管生成。如果没有新鲜的血管供应，新的心组织将无法生存。通过使用涉及鸡胚胎的生物模型，他们观察到含有导电材料和钙添加剂的支架比基础混合物能更有效地促进新血管的生长。这表明，这种特定的成分组合不仅直接支持心肌细胞，还有助于建立喂养它们的必要血管网络。研究还指出，支架表现出一定的抑制某些细菌生长的能力，这在预防植入后的感染方面可能是一个有益的副作用。

研究人员得出结论，他们最理想的支架版本是含有特定适量导电材料的版本。这个版本提供了最佳的平衡：它足够强韧以保持形状，足够灵活以随心脏运动，足够导电以传递电信号，且足够多孔以让细胞在内部生长。虽然这项研究并未在活体人类或动物心脏内进行测试，但实验室结果表明，这种材料组合为心脏修复创造了一个有利的环境。通过仔细调节合成塑料、天然聚合物和导电材料的混合比例，该团队创造了一个能够应对心脏组织工程中多种复杂要求的平台，为修复目前无法自然愈合的受损心肌提供了一条潜在路径。