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生物降解 二维磷化锗增强导电可生物降解水凝胶支架增强脊髓损伤修复

基因 纳米 生物降解


生物降解 二维磷化锗增强导电可生物降解水凝胶支架增强脊髓损伤修复
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生物降解 二维磷化锗增强导电可生物降解水凝胶支架增强脊髓损伤修复

【摘要】
开发可生物降解的导电水凝胶对于修复心肌、骨骼肌和神经等电活性组织具有重要意义 。 然而 ， 复合水凝胶中常规的导电相掺入 ， 如聚吡咯、聚苯胺、碳纳米管、石墨烯和金纳米线等不可降解材料 ， 将作为异物存在于体内 。 最近 ， 燕山大学Congpu Mu/柳忠元教授与华中科技大学罗志强教授团队合作共同探索了一种基于导电性和可生物降解的磷化锗 (GeP) 纳米片与粘合透明质酸-移植物-多巴胺 (HA-DA) 水凝胶基质集成的可注射水凝胶 ， 并探索了该生物混合水凝胶在脊髓损伤中的成功应用(SCI) 修复显示 。 将聚多巴胺（PDA）修饰的 GeP 纳米片（GeP@PDA）掺入 HA-DA 水凝胶基质中 ， 显着提高了 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶的电导率 。
导电的 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶可以在体外加速神经干细胞 (NSC) 向神经元的分化 。 在大鼠 SCI 完全横断模型中 ， 发现体内植入的 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶显着改善运动功能的恢复 。 免疫组织荧光研究表明 ， HA-DA/GeP@PDA 水凝胶可促进病变区域的免疫调节、内源性血管生成和内源性 NSC 神经发生 。 将导电和可生物降解的 GeP 纳米材料整合到可注射水凝胶中的策略为设计用于 SCI 修复的先进生物材料提供了新的见解 。 相关论文以题为Two-Dimensional-Germanium Phosphide-Reinforced Conductive and Biodegradable Hydrogel Scaffolds Enhance Spinal Cord Injury Repair发表在《Advanced Functional Materials》上 。
【主图导读】
图1A) GeP@PDA 纳米片、B) HA-DA 聚合物和 C) HA-DA/GeP@PDA 导电水凝胶的制备方案 。 D) 可注射和导电的 HA-DA/GeP@PDA 生物混合水凝胶在脊髓损伤修复中的应用示意图 。
图2 GeP 和 GeP@PDA 纳米片的表征 。 A) GeP 纳米片的 SEM 图像 。 B) GeP 纳米片的 TEM 图像 。 C) GeP 纳米片的 AFM 图像和 D) GeP 纳米片的测量厚度 。 E-H) GeP 纳米片的 STEM 图像和 STEM-EDX 元素映射图像 。 I) GeP 纳米片的 XRD 。 J) 拉曼光谱和 K) GeP 和 GeP@PDA 纳米片的 FTIR 光谱 。 L) GeP 和 GeP@PDA 纳米片的 Zeta 电位 。 M) GeP 和 GeP@PDA 纳米片在水分散体中的紫外可见吸收光谱 。 分散在去离子水中并暴露在空气中 1、3、5、7、14 和 21 天的 N) 原始 GeP 纳米片和O) GeP@PDA 纳米片的紫外可见吸收光谱 。 P) GeP 和 GeP@PDA 水分散体在 1、3、5、7、14 和 21 天时在 550 nm (A/A0) 处吸收率的变化 。
图3 HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 可注射水凝胶的表征 。 A) HA 和 HA-DA 聚合物的 1H-NMR 数据 。 B) HA-DA/GeP@PDA 预聚物和水凝胶的照片 。 C) HA-DA/GeP@PDA 水凝胶的照片 ， 采用 26 号针头注射工艺制备 。 D) HA-DA、E) HA-DA/GeP@PDA(0.25%) 和 F) HA-DA/GeP@PDA(0.5%) 的 SEM 图像 。 G) HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶的粘度 ， 剪切速率为 0.1 到 100 s-1 。 H) HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶的储能模量 (G') 和损耗模量 (G\") 。 I) 三种水凝胶在完全膨胀状态下压缩的弹性模量 。 J) HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶的电导率 。 K) Nyquist 曲线和 L) HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶的阻抗谱 。
图4 HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶的细胞相容性 。 A-C) 接种在 HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶上的 NSC 的活/死细胞染色 。 活细胞被染成绿色 ， 死细胞被染成红色（比例尺 = 100 μm） 。 D-F）在 HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶上培养的 MSC 的共聚焦荧光图像 。 F-肌动蛋白和细胞核分别用荧光红色和蓝色标记（比例尺 = 100 μm） 。 G) 在增殖培养基中培养 1、3 和 5 天后 ， HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶上 NSC 的细胞活力 。
【生物降解|二维磷化锗增强导电可生物降解水凝胶支架增强脊髓损伤修复】图5 HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶上的体外 NSC 分化 。 A) HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶上免疫染色细胞的共聚焦荧光显微照片 。 B-E) 借助 ImageJ 软件对 Nestin、GFAP、Tuj1 和 MAP2 免疫染色图像的平均光强度进行统计分析 。 分别对 HA-DA 和 HA-DA/GeP@PDA 水凝胶上的神经特异性基因 F) Nestin、G) GFAP、H) Tuj1 和 I) MAP2 的表达水平进行 qPCR 分析 。

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