西南交通大學魯雄教授團隊Small：受貽貝啟發的基于電化學驅動原位納米組裝的具有持續活性氧清除、電活性和骨誘導性支架

【前言】

導電聚合物具有電刺激響應性，能夠在電刺激作用下促進細胞的增殖和粘附。特別的，導電聚合物還能在電刺激作用下上調成骨相關基因的表達，在骨再生應用中具有良好前景。此外，導電聚合物還具有抗氧化性，能夠保護正常組織/細胞免受過量活性氧（ROS）的損害。然而，由于純導電聚合物缺乏細胞親和性和骨誘導性，且易于過氧化而失去抗氧化性，限制了其在骨再生方面的進一步應用。

【成果簡介】

針對以上問題，西南交通大學魯雄教授課題組受貽貝的啟發，通過逐層脈沖電沉積（LBL-PED）原位組裝聚吡咯 - 聚多巴胺 - 羥基磷灰石（PPy-PDA-HA）納米薄膜，提供一種制備具有電活性，細胞親和力，持久性ROS清除和骨誘導性多孔Ti支架的新方法。在LBL-PED過程中，PPy-PDA 納米顆粒和HA 納米顆粒原位合成并均勻涂覆在多孔支架上。PPy-PDA納米顆粒（PPy-PDA NPs）的兒茶酚基團增強了膜與Ti基底的粘附性。PDA與PPy復合并摻雜PPy中以提高支架的ROS清除率，并在很長一段時間內實現可持續的ROS清除。 HA和電刺激（ES）協同促進PPy-PDA-HA膜上的成骨細胞分化。最終，PPy-PDA-HA多孔支架擁有PPy-PDA NPs的電活性，細胞親和力和抗氧化活性以及HA NPs的骨誘導性的協同效應，表現出優異的骨再生能力。這項研究提供了一種新的多孔支架功能化策略，在制備多功能組織再生植入物方面顯示出巨大的潛力。

該研究成果以“A Mussel-Inspired Persistent?ROS-Scavenging, Electroactive, and Osteoinductive Scaffold?Based on Electrochemical-Driven?in Situ?Nanoassembly?”為題在線發表于《Small》。論文第一作者為在讀碩士生周婷和博士研究生閆力維。該研究得到了國家重點研發計劃，國家自然科學基金等項目支持。

【圖文導讀】

圖1?具有電活性，細胞親和力，抗氧化活性和骨誘導性的PPy-PDA-HA涂層包覆的鈦支架的制備。

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（a）在二維Ti網上沉積PPy-PDA-HA膜后通過卷曲制備Ti支架。

（b）通過LBL-PED方法制備PPy-PDA-HA膜。在此過程中，每個PPy-PDA層或HA層原位沉積在子層的頂部。

（c-e）PPy-PDA-HA涂覆的多孔支架具有電活性，細胞親和力，抗氧化性和骨誘導性。

圖2 PPy-PDA-HA薄膜的表征。

（a）PPy-PDA-HA涂覆的Ti網的SEM。

（b-c）從內到外均勻涂覆PPy-PDA-HA的多孔鈦支架的俯視圖和側視圖。

（d）PPy-PDA-HA膜的粗糙結構。

（e）HA均勻分布在PPy-PDA-HA膜中。

（f）10次沉積循環后PPy-PDA-HA膜的厚度。

（g-h）水接觸角測量顯示在每次脈沖后PPy-PDA和HA層的成功沉積。

（i）Ti基底上的膜的粘附強度。

圖3?PPy-PDA-HA顆粒的抗氧化性。

（a）PPy-PDA-HA薄膜或納米粉末清除活性氧的示意圖。在這個過程中，PPy-PDA NPs丟失的電子被ROS捕獲。

（b）PPy-PDA-HA薄膜的CV曲線。

（c）PPy、PPy-PDA和PPy-PDA-HA粉末的一次DPPH清除。

（d）PPy、PPy-PDA和PPy-PDA-HA粉末的可重復DPPH清除。

（e）通過再充電可恢復PPy-PDA-HA粉末的DPPH清除能力。PPy-PDA-HA粉末在充電前只有8%的DPPH清除率。

圖4 PPy-PDA-HA顆粒外保護細胞免受ROS的影響。

（a）PPy-PDA-HA薄膜或粉末消除細胞活性氧的示意圖。當細胞不受PPy-PDA-HA膜保護時，ROS會激活DCFH-DA并產生熒光。相反，PPy-PDA-HA薄膜會消除ROS，不會產生熒光。

（b）ROS形成（DCFH-DA）的典型熒光圖像。

（c）熒光酶標儀產生的DCF信號的定量測量。（*）表示兩組之間的顯著差異（p<0.05）。

圖5不同成分和不同電刺激電位的BMSCs的高通量刺激。

（a）高通量電刺激的示意圖。導電聚合物可以通過電刺激激活細胞膜中的Ca²⁺通道，因此細胞外Ca²⁺很容易進入細胞并激活Ca²⁺信號轉導途徑來調節成骨相關基因的表達。

（b）CLSM圖像。

（c）不同ES電位下PPy、PPy-PDA和PPy-PDA-HA膜上BMSCs的增殖和分化。（e-h）有或無ES的BMSCs的成骨相關基因表達。

圖6支架在體內具有良好的骨再生性能。

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（a）PPy-PDA-HA涂層多孔支架植入示意圖。

（b）植入12周后用亞甲基藍和堿性品紅染色的支架組織學圖像。黃色箭頭表示Ti網。BC表示骨接觸。

（c）骨面積（ba）從組織形態測定。（*）表示兩組之間的顯著差異（p<0.05）。

【小結】

本研究采用表面原位納米組裝方法制備了具有持續活性氧清除能力、電活性、細胞親和性、骨誘導性的PPy-PDA-HA膜包覆的多孔支架。通過電化學調控，原位合成PPy-PDA-NPs和HA-NPs功能性納米顆粒，并將其交替均勻地涂覆在支架上。PDA的親和力可以使PPy在電刺激下作用更多的細胞，從而實現PPy和PDA協同提升細胞的增殖。PPy和HA協同提升細胞的成骨分化，導電聚合物在電刺激作用下激活鈣離子通道，促進鈣離子的進入，上調成骨基因的表達。此外，長期抗氧化的PPy-PDA NPs保護細胞免受過量活性氧的侵襲。該方法為具有多種功能的生物材料表面改性提供了一種新的方法。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1002/smll.201805440

本文系西南交通大學魯雄教授課題組供稿。

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