本发明涉及生物工程材料，尤其涉及一种各向异性导电聚(3-噻吩乙酸)/甲基丙烯酰化明胶水凝胶补片及其制备方法与应用。
背景技术：
1、心肌梗死(myocardialinfarction，mi)是全世界发病和死亡最常见的原因之一。mi发生后会引起心肌细胞结构和功能的破坏，导致心肌电生理和力学特性的改变。此外，坏死的心肌细胞会逐渐被缺乏导电性和弹性的瘢痕组织替代，瘢痕组织分割正常心肌细胞，引起心肌电信号传导阻滞和收缩不同步，导致心脏泵血功能受损和心律失常的发生，随后会引起病理性心室重塑，有概率进一步发展为心衰。由于成体的心肌细胞不可再生，传统的治疗方式(如药物治疗和介入治疗)难以修复已经受损的心肌。因此，研究人员致力于寻找新的材料修复受损心肌。
2、由生物材料制成的心脏贴片，可以与细胞或药物相结合，为mi和随后的心衰提供了潜在的治疗方法。关于心脏贴片有两种主要的研究方向：一类是利用生物材料结合各种细胞制备贴片，如胚胎干细胞(escs)、间充质干细胞(mscs)或诱导性多能干细胞(ipsc)来源的心肌细胞等，利用干细胞的旁分泌效应治疗心梗，或者寄希望于人工诱导的心肌细胞能够定植在心梗区域从而修复心肌。然而，目前报道的贴片中的细胞成分在心梗部位的保留率和存活率极低，无法有效整合入自体的心肌组织以修复心功能(zhang j,zhu w,radisic m,vunjak-novakovic g.can we engineer a human cardiac patchfortherapy？.circ res.2018；123(2):244-265)。同时，由于细胞来源以及安全性的问题还没有得到充分解决，含细胞的心脏贴片离临床转化仍有较远的距离(augustine r,dan p,hasana,et al.stem cell-based approaches in cardiac tissue engineering:controllingthe microenvironmentforautologous cells.biomedpharmacother.2021；138:111425)。另一类是单纯材料的无细胞心肌补片，可通过被动的限制心梗区域过度扩张，减少心肌壁应力，防止左心室扩张和重构；或者补片本身具有一定导电性，可以增强心梗区电传导。研究表明，在mi发生后，无细胞心肌补片为梗死心肌区域提供力学支撑并恢复其导电性能，对于修复心功能有积极作用(holmes jw,borg tk,covell jw.structure andmechanics ofhealing myocardial infarcts.annu rev biomed eng.2005；7:223-253)。这类补片由于不含细胞，安全性和稳定性更可控，实用性更强，更有希望在临床中应用。
3、近年来许多研究致力于开发此类无细胞心肌补片，常用的材料之一便是各类水凝胶。水凝胶能够含有大量水分同时保持自身形态，物理化学性质可调并可拥有环境响应性，可以载药、载细胞且制备方式灵活，因此在组织工程领域得到了大量的研究。但目前制备的水凝胶心肌补片，往往不能兼顾良好的导电性、生物相容性和力学特性。例如，有研究通过在生物水凝胶中添加金属纳米颗粒、碳纳米材料等导电材料制备补片，以期恢复心梗区组织的导电性，重建心肌同步收缩。然而，一方面，作为基质材料的生物材料(如海藻酸盐、透明质酸等)存在力学强度不足的问题，无法提供与心肌组织相匹配的力学支撑(venugopaljr,prabhakaran mp,mukherjee s,ravichandran r,dan k,ramakrishna s.biomaterialstrategies for alleviation of myocardial infarction.j r soc interface.2012；9(66):1-19)；另一方面，水凝胶中添加的金属材料(如金纳米棒)或碳纳米材料(如碳纳米管)不可降解，远期生物相容性差(mao,h.y.；laurent,s.；chen,w.；akhavan,o.；imani,m.；ashkarran,a.a.；mahmoudi,m.graphene:promises,facts,opportunities,andchallenges innanomedicine.chem rev 2013,113,3407-3424)。为了解决无机导电材料不适用于柔性组织的矛盾，近年来有研究将目光投向了高分子导电聚合物，如聚吡咯、聚苯胺等，这些材料相对于金属等无机材料来说柔软且可降解，而且由于π-π共轭效应使其本身具有导电性。有研究合成了一种聚吡咯-壳聚糖水凝胶贴片，研究了其通过改善心梗区域的电传导以改善心功能的作用(he s,wu j,li sh,et al.the conductive function ofbiopolymer corrects myocardial scar conduction blockage and resynchronizescontraction to prevent heart failure.biomaterials.2020；258:120285)，但是该贴片未考虑力学因素对心脏的作用。
4、由于正常的电传导和力学性能对于心脏功能至关重要，因此部分研究在设计补片时赋予其导电性或者高强度，但补片的力学与电学指标仍不明确，一是补片的最佳力学强度的电导率仍未可知；二是心肌纤维具有方向性，心肌组织在电学与力学层面具有明显的各向异性，沿着平行或者垂直心肌纤维的方向，心肌的电导率可从5×10-5s/cm到1.6×10-3s/cm，跨越了两个数量级，拉伸强度为3～15kpa，杨氏模量则为0.2～0.5mpa，但目前报道的补片往往各向均一，不符合心肌组织的各向异性。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种各向异性导电聚(3-噻吩乙酸)/甲基丙烯酰化明胶水凝胶补片及其制备方法与应用，解决现有无细胞心肌补片的力学与电学指标不明确、不具备各向异性的问题。
2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
3、本发明提供了一种各向异性导电聚(3-噻吩乙酸)/甲基丙烯酰化明胶水凝胶补片的制备方法，包括以下步骤：
4、(1)将甲基丙烯酰化明胶、聚(3-噻吩乙酸)、交联剂与溶剂混合；将所得混合溶液进行3d打印；将所得3d打印件进行光固化，得到聚(3-噻吩乙酸)/甲基丙烯酰化明胶水凝胶补片；
5、(2)将步骤(1)所述聚(3-噻吩乙酸)/甲基丙烯酰化明胶水凝胶补片顺次进行失水处理、复水处理，得到各向异性导电聚(3-噻吩乙酸)/甲基丙烯酰化明胶水凝胶补片。
6、优选的，在所述制备方法中，步骤(1)中，所述聚(3-噻吩乙酸)的分子量为1～2万，所述交联剂为n,n’-羰基二咪唑(cdi)与光引发剂的混合物。
7、优选的，在所述制备方法中，步骤(1)中，所述甲基丙烯酰化明胶在所述混合溶液中的浓度为5～20wt％，所述聚(3-噻吩乙酸)在所述混合溶液中的浓度为5～20wt％。
8、优选的，在所述制备方法中，所述n,n’-羰基二咪唑在步骤(1)所述混合溶液中的浓度为2～7wt％，所述光引发剂2959在步骤(1)所述混合溶液中的浓度为0.1～0.5wt％。
9、优选的，在所述制备方法中，步骤(1)中，所述3d打印的挤出温度为20～30℃，挤出压力为80～100kpa，打印速度为0.5～1mm/s，打印层数为1～20层。
10、优选的，在所述制备方法中，步骤(1)中，所述光固化的光照强度为500～1500mw/cm2，光照波长为380～420nm，照射时间为30～60s。
11、优选的，在所述制备方法中，步骤(2)中，所述失水处理的初始应力为10～100kpa，温度为20～30℃，湿度为30～50％，时间为24～48h。
12、优选的，在所述制备方法中，步骤(2)中，所述复水处理使用的试剂为杜氏磷酸缓冲盐溶液(dpbs缓冲液)，所述复水处理的温度为20～30℃，时间为12～48h。
13、本发明还提供了一种所述制备方法制得的各向异性导电聚(3-噻吩乙酸)/甲基丙烯酰化明胶水凝胶补片。
14、本发明还提供了一种所述各向异性导电聚(3-噻吩乙酸)/甲基丙烯酰化明胶水凝胶补片在制备心肌修复材料中的应用。
15、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
16、(1)本发明联用了高分子导电材料聚(3-噻吩乙酸)(ptaa)与生物源性光固化材料甲基丙烯酰化明胶(gelma)来制备双网络水凝胶。ptaa作为聚噻吩的衍生物，化学性质稳定，导电性好，羧基的存在使得其能够形成交联的网络水凝胶，可作为体系中的导电刚性网络。gelma为烯烃双键改性明胶，是一种光交联的gelma为软性/可塑性网络，具有优异的生物相容性、细胞反应特性以及良好的机械性能可调性，可通过紫外或可见光在光引发剂作用下迅速固化成胶，用于改善ptaa的力学性能和组织相容性，使ptaa的韧性能够承受心肌搏动15～22％的变形程度；同时，对明胶进行酰胺化处理，以减少羧基数量，随后再与甲基丙烯酸酐反应制备gelma，能够减少gelma网络与ptaa网络之间通过羧基形成酸酐键交联，从而保留各自水凝胶网络的性质，使得两个水凝胶网络互相贯穿且彼此之间没有化学交联，从而赋予整体优于单一组分的性能。
17、(2)本发明采用一步3d打印法制备双网络结构水凝胶，有助于进一步的个性化补片定制和复杂形状补片制备，且在不降低水凝胶生物相容性的前提下，使其初步获得与心肌组织相匹配的导电性和力学性能。由于心梗后梗死区域形状不规则，可在结扎手术后对梗死区域进行影像记录，随后进行3d建模，利用挤出式打印机以及合成水凝胶的光固化特性实现3d打印快速成型，然后利用市售的生物胶水，实现补片在心脏表面的粘附，不造成二次损伤。
18、(3)本发明利用失水处理即限制性失水法，水凝胶在失水过程中内部产生特定方向的应力，使得失水过程中的高分子聚合物在应力作用下通过超分子相互作用，自组装形成与心肌纤维类似的定向排列的纤维微结构，从而获得各向异性的力学性能。该纤维微结构仿生了心肌纤维，使得水凝胶补片的电学、力学特性更接近正常心肌，解决了现有水凝胶材料强度低、各向均一且难以实现各向异性的难题。
19、(4)本发明制备的各向异性导电聚(3-噻吩乙酸)/甲基丙烯酰化明胶水凝胶补片能够降低心梗区域电阻率，恢复心脏正常电传导及同步收缩，同时提供与正常心肌相匹配的力学支撑，进而修复心功能并抑制心律失常的发生，对于心梗后早期心肌泵血功能的恢复和远期预防心衰的发生具有积极意义。本发明制备的生物材料补片作为一种可以快速制备、易于保存和快速起效的工具，有望在mi早期对受损心脏起到功能恢复和促进修复的作用。此外，该补片的制备方法简便快速、生物友好，为进一步细胞化导电水凝胶补片的研究打好了基础。
1.一种各向异性导电聚(3-噻吩乙酸)/甲基丙烯酰化明胶水凝胶补片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述聚(3-噻吩乙酸)的分子量为1～2万，所述交联剂为n,n’-羰基二咪唑与光引发剂2959的混合物。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述甲基丙烯酰化明胶在所述混合溶液中的浓度为5～20wt％，所述聚(3-噻吩乙酸)在所述混合溶液中的浓度为5～20wt％。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述n,n’-羰基二咪唑在步骤(1)所述混合溶液中的浓度为2～7wt％，所述光引发剂2959在步骤(1)所述混合溶液中的浓度为0.1～0.5wt％。
5.根据权利要求1、3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述3d打印的挤出温度为20～30℃，挤出压力为80～100kpa，打印速度为0.5～1mm/s，打印层数为1～20层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述光固化的光照强度为500～1500mw/cm2，光照波长为380～420nm，照射时间为30～60s。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述失水处理的初始应力为10～100kpa，温度为20～30℃，湿度为30～50％，时间为24～48h。
8.根据权利要求1或7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述复水处理使用的试剂为杜氏磷酸缓冲盐溶液，所述复水处理的温度为20～30℃，时间为12～48h。
9.权利要求1～8任一项所述的制备方法制得的各向异性导电聚(3-噻吩乙酸)/甲基丙烯酰化明胶水凝胶补片。
10.权利要求9所述的各向异性导电聚(3-噻吩乙酸)/甲基丙烯酰化明胶水凝胶补片在制备心肌修复材料中的应用。
