【背景介紹】
導電水凝膠和支架在應變傳感和組織工程中具有巨大潛力。先前，國立臺灣大學Shan-hui Hsu團隊設計了具有注射能力，應變/運動感應能力和神經再生能力的導電自修復水凝膠和可恢復形狀的支架。相關論文An Injectable, Electroconductive Hydrogel/Scaffold for Neural Repair and Motion Sensing發表在《Chemistry of Materials》上。在生理條件下，由N-羧乙基殼聚糖（CEC），殼聚糖改性的聚吡咯（DCP）納米顆粒（40 nm）和獨特的醛封端的雙官能聚氨酯（DFPU）交聯劑合成並製備了水凝膠和支架的交聯網絡。CEC通過靜電相互作用與DCP混合，然後通過動態席夫鹼反應與DFPU交聯。通過流變學檢查，席夫鹼賦予水凝膠自愈性能。通過凍幹水凝膠獲得形狀可恢復的支架。
這些水凝膠和支架顯示出可注射性和電導率（3–6 mS/cm），而支架在重複變形後也顯示出高吸水率和持久的彈性。水凝膠和支架促進了神經幹細胞（NSCs）的附著，增殖和分化。所述支架在體外和離體具有優異的應變/運動感測特性，以及在體內具有生物降解性和生物相容性。此外，在斑馬魚腦損傷模型中，通過恢復運動功能（分別達到53和80％的功能恢復）可以證明導電水凝膠或充滿細胞的導電水凝膠的神經再生能力。這些水凝膠和支架是神經修復和運動感應的潛在候選者。
3.1 CEC主鏈，DCP納米顆粒和DFPU交聯劑的合成與表徵
按照圖1A所示的合成路線合成具有良好生物相容性的導電DCP納米粒子。CEC溶液和DFPU溶液的ζ電位分別為-41.20±2.4和-43.18±1.0 mV，表明CEC和DFPU在水性介質中均具有良好的穩定性。DCP懸浮液的ζ電位為+20.98±0.8 mV，表明DCP納米顆粒可能會聚集。DCP和DFPU的平均流體動力學直徑分別為137.52±19.7和36.67±2.5 nm。同時，在25°C下混合CEC，DCP和DFPU導致形成導電的自修復水凝膠，可將其在-20°C冷凍並冷凍乾燥後製成可注射的支架，如圖1B所示。
圖1.導電前體的合成以及導電水凝膠和支架的製備。
DCP納米顆粒在圖2A中顯示出平均直徑為38 nm的球形結構。CEC和DFPU的TEM圖像顯示在圖S2中。與CEC混合後，球形DCP納米顆粒沿著CEC鏈附著，如圖2B所示。添加DFPU交聯劑形成水凝膠後，DCP和CEC的這種形態沒有明顯改變（圖2C）。使用SAXS分析水凝膠的納米結構。如圖2D所示，單獨的三種成分以及膠凝前後混合物的SAXS輪廓顯示出非常清晰的形狀因數和不太明顯的結構因數。此外，DFPU的形狀因子和結構因子均隨交聯時間的增加而降低（圖2E），這表明DFPU的球形結構在通過Schiff聯結與CEC和DCP交聯後可能會變形。
圖2.用TEM和SAXS對CDD水凝膠的DCP和交聯體系進行表徵。
3.2 CDD自愈水凝膠和支架的特性和優化
如上所述，通過在25°C下混合CEC，DCP和DFPU製備導電CDD自修復水凝膠。為了獲得均質的水凝膠，必須先將水溶性CEC與DCP混合，然後再通過Schiff鹼反應與DFPU交聯。在凝膠化過程中，通過測量相對於凝膠化時間的SAXS曲線評估的結構演變如圖2E所示。SAXS圖譜揭示了凝膠化過程中CDD水凝膠的內部結構變化和席夫鹼動態交聯。隨著時間的推移，曲線的最大強度（在q0.01-1處）首先增加，然後穩定在一個固定值，而形狀因子逐漸消失。基於結構的演變，圖2F展示了CDD水凝膠的可能的膠凝機理。在具有8mm直徑的中心孔的盤狀CDD水凝膠上檢查了水凝膠在室溫下的宏觀自愈性能。凝膠中的中心腔在0.5小時後即完全癒合（即快速癒合），如圖3A所示。
圖3. CDD自修復水凝膠的特徵。
CDD水凝膠的應變依賴性粘彈性如圖3B所示。當動態應變從1到1000％變化時，G'值降低，並且在330％應變時發生了凝膠到溶膠的轉變。如圖3C所示，通過動態應變條件在1到350％之間的連續階躍變化來評估損傷-癒合周期。當施加約350％的大應變時，水凝膠的G'值從約250Pa降低至約90Pa，並且同時低於損耗模量（G″）。CDD自愈水凝膠在重複循環後可以完全恢復結構。CDD水凝膠的靜態穩態剪切粘度顯示在圖3D中，表明該水凝膠具有剪切稀化特性和良好的可注射性。如圖3E所示，可以輕鬆地通過34號針頭（內徑80μm）注入這種水凝膠。
CDD支架的宏觀形狀恢復能力如圖4A所示。圖4B中CDD支架的SEM圖像顯示平均孔徑為90μm，孔壁厚度約為10μm。CDD支架的3D共聚焦圖像如圖4C所示。此外，CDD支架的三角形切片（4 mm×3 mm×1 mm）可通過常規的20號針頭（內徑603μm）擠出並立即恢復到 推出後的原始形狀，如圖4D所示。
圖4. CDD形狀可恢復支架的特徵。
3.3 CDD支架的機械耐久性和應變傳感功能
測量了溼潤條件下水合圓柱狀CDD支架的靜態力學性能，並總結在圖5中。在每種壓縮應變（10％，20％，40％和60％）下，連續評估了10次靜態壓縮應力和應變曲線，如圖5A所示。所述曲線是具有滯後性的可重複的閉環，與CDD支架的形狀恢復能力一致。隨著壓縮應變的增加，在60％的壓縮應變下，閉合壓縮循環的不規則形狀與從支架中擠出的水有關（圖5B）。
圖5.在施加5 V電壓下，CDD支架的靜態壓縮行為和應變感應功能。
導電且耐用的CDD支架用於應變傳感時，對不同模式的變形（例如壓縮，扭曲和彎曲）表現出出色的敏感性。通過加載不同的重量引起壓縮變形（圖5C）。支架在壓縮前後保持導電性，並在去除負載後數秒內完全恢復其原始形狀。電導率的變化與負載增加的關係如圖5D所示。扭轉應變時的電導率變化顯示在圖5E中。將CDD支架的一端固定到所需的扭轉角。當CDD支架的扭曲角度達到360°和720°時，電導率分別從原始的3.89 mS/cm升高到4.81和5.92 mS/cm。彎曲應變也被施加到CDD支架上。在不同的V角（180至0°）彎曲時，電導率的變化如圖5F所示。CDD支架的彎曲導致電導率增加。
3.4 NSC的存活，附著，增殖和分化
嵌入CDD水凝膠後，NSC的生存力通過圖6A–E中的VB-48染色法得到證實。在培養基（對照），CEC，DCP，DFPU和CDD水凝膠組中，健康細胞的數量分別為94.8％，84.3、80.0、90.0和93.2％。在這些組中，未發現嵌入細胞的活力有顯著差異。同時，圖6F，G顯示了通過CCK-8分析評估的長達14天的長期細胞增殖。標記蛋白基因的表達，包括巢蛋白，GFAP，β-微管蛋白和MAP2，在圖6H中顯示，其中表達相對於GAPDH基因進行了標準化，然後以相對比例表達。
圖6. CDD水凝膠和支架中神經幹細胞（NSC）的存活，增殖和分化。
3.5 大鼠皮下植入CDD的生物相容性
大鼠皮下植入模型用於評估體內CDD支架的生物相容性。將尺寸為1cm×1cm×1mm的每個CDD支架插入成年大鼠的皮下部位。H＆E染色的移出樣品的組織學示於圖7A，B。植入後第14天對植入的CDD支架進行的組織學檢查顯示，隨著材料降解，白細胞以高密度浸潤（圖7C）。在對照支架周圍未觀察到浸潤的細胞。觀察纖維囊的厚度，並通過光學顯微鏡定量。CDD支架顯示出約70.8μm厚度的纖維囊（圖7E）。
圖7.大鼠皮下植入後，CDD支架的生物相容性和輕度異物反應。
3.6. 成年斑馬魚腦損傷模型中的功能搶救。
使用中樞神經系統（CNS）受損的成年斑馬魚模型來評估CDD水凝膠的神經再生能力（圖8A）。受傷的斑馬魚的存活率如圖8B所示。在大腦中接受NSC負載的CDD水凝膠的斑馬魚在6天後的存活率約為80％。相比之下，對照組中只有30％的斑馬魚受傷後6天存活，而僅接受CDD水凝膠（無細胞）的那些在6天之後存活了約40％。運動（遊泳）的恢復在圖8C中示出。
圖8.中樞神經系統（CNS）損傷和各種治療後，成年斑馬魚的功能恢復。
3.7對人類和斑馬魚的運動檢測
研究了CDD支架在人類和斑馬魚運動監測的實際應用中的傳感能力。圖9顯示了一段時間內不同動作的電導率變化信號，包括重複的手指彎曲，腕部脈搏和斑馬魚尾巴擺動。
圖9. CDD支架在實時運動檢測中的應用。
參考文獻： doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c02906
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