西南交大鲁雄NPG Asia Mater.：基于仿贻贝机理制备用于电治疗的刺激响应性导电微囊

【引言】    

目前，电治疗由于其副作用小已被广泛用于治疗如帕金森综合症、糖尿病、肥胖症等多种慢性疾病。电治疗的原理是通过电刺激模拟生物电来调控细胞行为，从而修复人体各个组织的机能。但是，传统的电治疗仅为生物物理刺激，其刺激方式单一导致了电治疗效果不理想，限制了电治疗在组织工程中的应用。

【成果简介】    

近日，西南交通大学鲁雄教授团队研发了一种基于仿贻贝机理的刺激响应性导电微囊。该导电高分子微囊结合导电聚合物分子聚吡咯（PPy）的氧化-还原性和仿贻贝分子聚多巴胺(PDA)的粘附性, 利用聚苯乙烯微球为模板，通过精确调控电化学沉积条件制备得到。在电沉积氧化过程中，药物和聚多巴胺作为阴离子被掺杂到聚吡咯主链中。当在还原条件（电刺激）下，药物就会被释放出来。因此，其具有电调控刺激响应药物释放和电调控细胞行为的双功能，可为电治疗提供双重刺激，物理刺激和化学刺激，从而增强单一电刺激疗效。物理刺激是利用聚吡咯的导电性传输电信号给细胞，利用生物电调控细胞行为；化学刺激是指利用聚吡咯的氧化-还原特性，在电刺激下定时、定量的按需释放药物，促进细胞分化。物理信号和化学信号协同提高电治疗疗效。相关成果以“Electroresponsive and cell-affinitive polydopamine/ polypyrrole composite microcapsules with a dual-function of on-demand drug delivery and cell stimulation for electrical therapy”为题发表在2017年3月10日出版的Nature子刊NPG Asia Materials上。该研究得到了国家重点研发计划、863、国家自然科学基金等项目支持。

【图文导读】

图1 PDA-PPy微囊制备流程图

（a）电化学沉积过程。

（b）将电化学沉积后得到的PDA-PPy包裹的表面浸泡于四氢呋喃（THF）中除去聚苯乙烯微球模板，最后得到PDA-PPy微囊。

（c）通过电刺激控制微囊中药物释放。

图2 PDA-PPy微囊形貌图

（a）和（b）3D打印多孔钛Ti模型及其表面SEM图片

（c）和（d）组装在表面的聚苯乙烯模板的SEM图片

（e）和（f）电沉积后聚苯乙烯模板表面PDA-PPy复合涂层的SEM图片

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

图3 不同情况下的电刺激药物释放曲线

（a）不同表面结构的PDA-PPy

（b）不同聚合时间的PDA-PPy微囊

（c）不同DA/Py摩尔比的PDA-PPy微囊在相同电刺激下药物累积释放曲线

图4 电刺激药物按需释放

（a）PDA-PPy微囊在不同电压下刺激10 min后药物释放量

（b）PDA-PPy微囊在﹣1 V电压下的药物按需释放曲线

图5 高通量电刺激细胞

（a）高通量电刺激系统示意图。通过高通量电刺激观察细胞在不同表面结构、组分和电信号下的生长情况

（b）电刺激7天后的BMSCs荧光染色照片

（c）电刺激7天后的BMSCs的增殖情况

（d）电刺激14天后BMSCs的ALP表达

【小结】 

与传统导电高分子膜不同，该导电微囊具有两个特性：聚多巴胺的细胞亲和性和微囊的微孔结构。这两个特性为细胞提供了一个仿细胞外基质的微环境。高通量电刺激细胞实验表明这种新型高分子微囊可以通过其微孔结构、细胞亲和性和电刺激信号协同调控细胞行为。该研究制备的新型高分子微囊体系不仅可以有效提高电治疗效果，而且还能通过高通量筛选出最有利于细胞分化的电信号参数，为电治疗在组织工程中应用提供理论基础和科学依据。    

文献链接：Electroresponsive and cell-affinitive 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）

【鲁雄教授简介】    

西南交通大学鲁雄教授，2004年博士毕业于香港科技大学，2009年入选日本学术振兴会博士后研究员（JSPS Fellow），其团队长期致力于生物材料领域相关工作，包括生物活性陶瓷及骨组织修复、抗菌植入体表面处理、生物医用水凝胶与组织工程支架、纳米材料与药物缓释和生物材料理论计算模拟。相关研究成果在Biomaterials, ACS Nano, Chemistry of Materials, Small, NPG Asia Materials, ACS Appl. Mater. Interfaces, J Phys. Chem. C等期刊上共发表三大检索收录论文100余篇，其中以第一作者身份（通讯作者）在SCI收录杂志上发表60余篇，论文总引用近2000次，单篇最高他人引用200余次。申请专利10余项，参与英文学术著作编写两章。

本文由西南交通大学鲁雄教授课题组谢超鸣投稿，材料牛编辑张莹编辑整理。

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