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心肌组织工程中基于PDMS的双纳米填料压电弹性体贴片开发及其生物电机械互作性能研究，采用TiC和MoS?各2phr复合并电纺PLA/PDMS纳米纤维涂层作为临时生物界面，实现循环压缩下的稳定±20-30mV电压输出及优异细胞相容性，促进心肌细胞粘附和氧化应激调控，为自供电心脏再生平台提供新范式。
金贤珍（Hyunjin Kim）| 卡南·巴德里·纳拉亚南（Kannan Badri Narayanan）| 维尼特·库马尔（Vineet Kumar）| 韩成秀（Sung Soo Han）| 拉凯什·巴斯卡尔（Rakesh Bhaskar）
韩国庆北庆山市大鹤路280号，岭南大学化学工程学院，邮编38541
摘要
心血管疾病仍然是全球主要的死亡原因，而心肌梗死会导致心肌功能不可逆地丧失，目前可用的再生治疗方法也非常有限。本文介绍了一种自响应式压电弹性贴片，专为心脏组织工程（CTE）设计。该贴片将两种纳米填料（TiC和MoS?，各占2份）整合到聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质中，并通过PLA/PDMS静电纺丝纳米纤维涂层作为临时生物界面，以促进早期细胞附着。通过浇铸/固化工艺制备了四种复合贴片（PDMS、PDMS+TiC、PDMS+MoS?和Hybrid），并在半固化阶段进行涂层处理，以实现纤维层之间的物理连接。采用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、润湿性测试、压缩测试以及热重分析（TGA/DTGA）对材料进行了表征。通过循环压缩（30%应变）评估了机电性能，并使用NIH3T3成纤维细胞（MTT、活细胞/死细胞检测及细胞内活性氧检测）和H9c2心肌细胞在低强度搅拌条件下的生物性能进行了评估。结果表明，Hybrid贴片在循环载荷下表现出平衡的机械增强效果和可重复的电压生成（通常为±20–30 mV）。所有配方均保持了细胞相容性；与单一填料复合材料相比，Hybrid组显著降低了细胞内活性氧水平，并在结合纳米纤维界面后提升了细胞附着和扩散能力。这些发现表明，这种基于PDMS的混合支架具有机械强度高、电响应性强且细胞相容性好等优点，为自供电、机械交互式心脏贴片平台奠定了基础。
引言
心血管疾病（CVDs）仍是全球发病率和死亡率的主要原因，给患者和医疗系统带来了巨大负担[1]。特别是心肌梗死会导致心脏收缩能力不可逆地丧失，而现有的治疗方法的再生能力非常有限[2]。因此，基于生物材料的支架成为恢复心脏功能的有希望的策略，这些支架能够支持细胞重新填充和组织重塑[3]。然而，大多数现有的心脏支架仅具有被动功能，缺乏感知或响应其生物力学环境的能力。除了结合传统的生物活性分子外，新兴研究表明，包括机械、电和磁刺激在内的多种生理信号可以影响细胞命运和心脏再生相关的生物过程[4][5][6]。由于这些材料无法将机械应变转化为生物电信号，限制了与宿主组织的实时交互，从而影响了治疗效果，尤其是在心脏微环境发生周期性变形的情况下[7]。这促使人们开发出既结构兼容又具有功能交互性的支架。
压电生物材料作为此类交互系统的潜在组件受到了关注[7][8]。这些材料能够将机械变形转化为电能，从而通过与机械敏感细胞的内源性信号传递实现交互[9]。压电材料还广泛应用于能量收集系统，它们能够将环境中的机械运动转化为可用电能，从而开发出自供电设备，如可穿戴传感器和植入式电子设备[4]。在心脏中，循环机械应变是组织功能的基本组成部分，压电支架可以作为自供电平台，刺激细胞的附着、排列和功能成熟[10]。尽管近期研究展示了这一潜力，但实际应用仍受到限制[11]。许多压电系统存在细胞相容性差、机械韧性不足或依赖外部刺激设备的问题[11][12]。因此，需要开发出在低幅度生理变形下仍能正常工作的压电支架，同时保持生物安全性、信号稳定性和结构耐久性。
为满足这些要求，我们提出了一种新的支架架构，将机械、电和细胞功能整合到一个统一的、自响应的系统中。我们的方法强调协同集成，而不是孤立地优化每个特性。通过将两种二维纳米填料（MXene和MoS?）嵌入PDMS基质中，并应用静电纺丝纳米纤维涂层，设计出了这种混合支架[13][14]。MXene有助于增强机械强度和高压响应性[15]，而MoS?则提供层状稳定性、氧化还原缓冲作用和信号规律性[16][17]。这种MXene纳米复合材料能够在体内和体外提供稳定的电刺激。本文首次展示了这种MXene压电材料在心脏再生中的应用。静电纺丝纳米纤维具有仿生纳米拓扑结构，有助于细胞附着和扩散，尤其是在模拟心脏微运动的轻微搅拌条件下[18]。这种协同设计的配置无需外部电子设备即可实现机电信号转导，可能激活细胞内的信号通路，如机械转导和整合素介导的细胞附着[19]。Hybrid组中的PLA/PDMS纳米纤维涂层旨在作为临时生物界面，以促进早期细胞附着和扩散，而非永久性的承重或电活性组件。我们通过多尺度分析评估了该支架的性能，包括机械特性、应变下的电压响应以及测量细胞活力、活性氧生成和形态适应性的生物实验。这项研究推动了生物智能心脏支架的发展，这些支架不仅在结构上支持再生，还能通过自供电信号在愈合过程中动态地支持细胞功能。
材料
聚二甲基硅氧烷（PDMS；Sylgard? 184，基础材料和固化剂）购自Dow Corning（美国）。二硫化钼（MoS?，纳米粉末，<2 μm）、碳化钛（TiC，MXene前体，<200 nm）、聚乳酸（PLA，分子量约60,000）、二氯甲烷（DCM）和四氢呋喃（THF）均购自Sigma-Aldrich（美国），使用前无需进一步纯化。NIH3T3成纤维细胞和H9c2心肌细胞来自美国类型培养收集中心（ATCC，美国）。Dulbecco's...
形态和结构表征
使用扫描电子显微镜（SEM）观察了横截面贴片的表面形态，如图1a所示。在低倍率（×500）下，未经改性的PDMS贴片表面光滑无特征，与其未改性的硅弹性体结构一致[21]。相比之下，含有TiC或MoS?纳米填料的贴片表面变得粗糙，可见颗粒状结构。含有TiC的贴片显示出分散但离散的微粒，而含有MoS?的贴片...
结论
本研究开发了一种多功能压电支架，将两种二维纳米填料（TiC和MoS?）整合到PDMS弹性体基质中，并通过静电纺丝纳米纤维表面修饰进一步优化。该支架表现出出色的机械完整性，在循环和非规则应变下能够稳定产生电压，并保持良好的细胞相容性。更重要的是，它有效调节了关键细胞反应，包括细胞附着和扩散...
CRediT作者贡献声明
金贤珍（Hyunjin Kim）：撰写初稿、进行形式分析、数据管理、概念构思。卡南·巴德里·纳拉亚南（Kannan Badri Narayanan）：验证结果、提供监督、进行形式分析、概念构思。维尼特·库马尔（Vineet Kumar）：验证结果、获取资金支持、数据管理、概念构思。韩成秀（Sung Soo Han）：撰写和编辑初稿、进行可视化处理、验证结果、开发软件。拉凯什·巴斯卡尔（Rakesh Bhaskar）：撰写初稿、验证结果、提供监督、获取资金支持、概念构思。
作者贡献
H.K.和R.B.共同构思了论文内容。H.K.和R.B.撰写了初稿。所有作者（H.K.、R.B.、K.B.N.、V.K.和S.S.H.）参与了所有版本的撰写和插图制作。所有作者均已阅读并同意最终发表的论文版本。
知情同意声明
不适用。
关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写本文期间，作者使用了Grammarly和Claude工具进行语言编辑和语法改进。使用这些工具后，作者彻底审查、验证并修改了所有由AI辅助生成的内容，以确保内容的准确性和原创性。作者对发表文章的完整性和最终内容负全责。
资金支持
R.B.感谢韩国国家研究基金会（NRF）（RS-2023-00278268）的支持。
数据可用性
不适用。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益和个人关系：
拉凯什·巴斯卡尔（Rakesh Bhaskar）表示获得了岭南大学的支持。他还与岭南大学存在雇佣关系。如果还有其他作者，他们声明没有其他可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
