西南交大魯雄NPG Asia Mater.：基于仿貽貝機理制備用于電治療的刺激響應性導電微囊

【引言】 ? ?

目前，電治療由于其副作用小已被廣泛用于治療如帕金森綜合癥、糖尿病、肥胖癥等多種慢性疾病。電治療的原理是通過電刺激模擬生物電來調控細胞行為，從而修復人體各個組織的機能。但是，傳統的電治療僅為生物物理刺激，其刺激方式單一導致了電治療效果不理想，限制了電治療在組織工程中的應用。

【成果簡介】????

近日，西南交通大學魯雄教授團隊研發了一種基于仿貽貝機理的刺激響應性導電微囊。該導電高分子微囊結合導電聚合物分子聚吡咯（PPy）的氧化-還原性和仿貽貝分子聚多巴胺(PDA)的粘附性, 利用聚苯乙烯微球為模板，通過精確調控電化學沉積條件制備得到。在電沉積氧化過程中，藥物和聚多巴胺作為陰離子被摻雜到聚吡咯主鏈中。當在還原條件（電刺激）下，藥物就會被釋放出來。因此，其具有電調控刺激響應藥物釋放和電調控細胞行為的雙功能，可為電治療提供雙重刺激，物理刺激和化學刺激，從而增強單一電刺激療效。物理刺激是利用聚吡咯的導電性傳輸電信號給細胞，利用生物電調控細胞行為；化學刺激是指利用聚吡咯的氧化-還原特性，在電刺激下定時、定量的按需釋放藥物，促進細胞分化。物理信號和化學信號協同提高電治療療效。相關成果以“Electroresponsive and cell-af?nitive polydopamine/ polypyrrole composite microcapsules with a dual-function of on-demand drug delivery and cell stimulation for electrical therapy”為題發表在2017年3月10日出版的Nature子刊NPG Asia Materials上。該研究得到了國家重點研發計劃、863、國家自然科學基金等項目支持。

【圖文導讀】

圖1 PDA-PPy微囊制備流程圖

（a）電化學沉積過程。

（b）將電化學沉積后得到的PDA-PPy包裹的表面浸泡于四氫呋喃（THF）中除去聚苯乙烯微球模板，最后得到PDA-PPy微囊。

（c）通過電刺激控制微囊中藥物釋放。

圖2 PDA-PPy微囊形貌圖

（a）和（b）3D打印多孔鈦Ti模型及其表面SEM圖片

（c）和（d）組裝在表面的聚苯乙烯模板的SEM圖片

（e）和（f）電沉積后聚苯乙烯模板表面PDA-PPy復合涂層的SEM圖片

（g）和（f）去除聚苯乙烯后PDA-PPy微囊的SEM圖片。(i) PDA-PPy微囊的TEM圖片

圖3 不同情況下的電刺激藥物釋放曲線

（a）不同表面結構的PDA-PPy

（b）不同聚合時間的PDA-PPy微囊

（c）不同DA/Py摩爾比的PDA-PPy微囊在相同電刺激下藥物累積釋放曲線

圖4 電刺激藥物按需釋放

（a）PDA-PPy微囊在不同電壓下刺激10 min后藥物釋放量

（b）PDA-PPy微囊在﹣1 V電壓下的藥物按需釋放曲線

圖5 高通量電刺激細胞

（a）高通量電刺激系統示意圖。通過高通量電刺激觀察細胞在不同表面結構、組分和電信號下的生長情況

（b）電刺激7天后的BMSCs熒光染色照片

（c）電刺激7天后的BMSCs的增殖情況

（d）電刺激14天后BMSCs的ALP表達

【小結】?

與傳統導電高分子膜不同，該導電微囊具有兩個特性：聚多巴胺的細胞親和性和微囊的微孔結構。這兩個特性為細胞提供了一個仿細胞外基質的微環境。高通量電刺激細胞實驗表明這種新型高分子微囊可以通過其微孔結構、細胞親和性和電刺激信號協同調控細胞行為。該研究制備的新型高分子微囊體系不僅可以有效提高電治療效果，而且還能通過高通量篩選出最有利于細胞分化的電信號參數，為電治療在組織工程中應用提供理論基礎和科學依據。????

文獻鏈接：Electroresponsive and cell-af?nitive polydopamine/ polypyrrole composite microcapsules with a dual-function of on-demand drug delivery and cell stimulation for electrical therapy（NPG Asia Materials，2016，doi:10.1038/am.2017.16）

【魯雄教授簡介】????

西南交通大學魯雄教授，2004年博士畢業于香港科技大學，2009年入選日本學術振興會博士后研究員（JSPS Fellow），其團隊長期致力于生物材料領域相關工作，包括生物活性陶瓷及骨組織修復、抗菌植入體表面處理、生物醫用水凝膠與組織工程支架、納米材料與藥物緩釋和生物材料理論計算模擬。相關研究成果在Biomaterials, ACS Nano, Chemistry of Materials, Small, NPG Asia Materials, ACS Appl. Mater. Interfaces, J Phys. Chem. C等期刊上共發表三大檢索收錄論文100余篇，其中以第一作者身份（通訊作者）在SCI收錄雜志上發表60余篇，論文總引用近2000次，單篇最高他人引用200余次。申請專利10余項，參與英文學術著作編寫兩章。

本文由西南交通大學魯雄教授課題組謝超鳴投稿，材料牛編輯張瑩編輯整理。

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