2.1   电活性聚合物 2.1.1   聚吡咯   聚吡咯在心脏组织工程中应用最为广泛，它不仅可以提供类细胞外基质功能，支持多种细胞的黏附、增殖和分化，还能通过本身良好的导电性能提高移植材料与宿主心肌的电生理整合，使心室肌细胞一致收缩，从而改善心脏功能。然而聚吡咯具有非热塑性、机械刚性和脆性等缺点，限制了其在生物学中的应用。研究者们试图通过多种技术手段将聚吡咯与其他更柔韧的材料相结合来克服以上缺点。 其中最常见的技术手段是水凝胶，其在结构上类似于细胞外基质，能够以微创的方式进行注射并在体内降解。设计水凝胶可以使用蛋白质类物质(如胶原蛋白、明胶、纤维蛋白等)或多糖类物质(如透明质酸、海藻酸钠、壳聚糖等)[8]。将导电材料聚吡咯与海藻酸钠结合制成的聚吡咯-海藻酸钠水凝胶，在体外可以增强细胞在支架上的附着和增殖，在体内能够促进瘢痕区域小动脉的形成[9]。CUI等[10-11]将聚吡咯偶联到壳聚糖骨架上，能够在体外没有电刺激的情况下使彼此分离的心肌细胞簇同步收缩；此外通过对大鼠心脏的心电图进行分析，发现其能够通过缩短QRS间期、增加动作电位的横向传导来改善梗死区域瘢痕组织的电信号传递，进而改善心功能。由于心脏处于不停地舒缩状态，这就要求生物材料应具备稳定而持久的弹性。SONG等[12]将热塑性聚乙醇酸外科缝线同聚吡咯在多巴胺聚合形成的薄层上结合，制备出了一种拥有高弹性和良好导电性的复合材料，称之为生物弹簧。一方面，多巴胺作为黏附蛋白中的关键组分不仅可以增强细胞的黏附，还可通过促进血管的形成来改善局部血供；另一方面，形成的三维高弹性结构能够有效地促进电信号的传导，从而改善心脏功能。此外该生弹簧体内应用实验结果显示，左室短轴缩短率和左心室摄血分数分别提高13%和21%，梗死面积减少了34%左右。 另外一种常见的技术手段是心脏薄膜贴片，将贴片移植到瘢痕组织后可以通过支持和增加梗死区厚度来改善心脏功能。HE等[13]将明胶、甲基丙烯酸酐及聚己内酯通过静电纺丝的技术制成甲基丙烯酸酐-聚己内酯立体结构薄膜，在紫外线下结合多巴胺，再利用超声波的震荡结合上以聚吡咯为主要原料制成的纳米粒子，最终形成一个具有导电性和良好生物相容性的心脏贴片，将其移植到小鼠心肌梗死区域4周后，梗死面积减少约50%，左室缩短率增加约20%，梗死区新生血管密度较移植前增加了9倍。薄膜贴片应用时需要将其缝合到心脏表面，这对本来梗死的心脏造成了进一步损伤。LIANG等[14]制备出了一种可涂布式的导电材料，利用Fe3+引发吡咯与多巴胺原位聚合，同时结合明胶，这不仅改善了吡咯聚合后水溶性差的问题，而且通过多巴胺的作用使得该复合物能够黏附在心脏表面，且不会造成不良的液体渗漏。到目前为止，聚吡咯相关导电材料作为药物载体的研究还鲜有报道。ZANJANIZADEH ezazi 等[15]首创性地将一种促进心肌修复和再生的药物小分子(3i-1000)装入由聚吡咯、聚甘油癸二酸酯和胶原通过蒸发法制成的智能复合薄膜中，不仅促进了心肌细胞的长期存活，而且通过材料的降解控制了药物的缓慢释放。 过去研究者们一直致力于采用单一的方式来治疗心肌梗死，然而疗效有限。为了进一步提高心脏的功能，WU等[16]尝试使用可注射水凝胶(由氧化透明质酸钠结合酰肼功能化透明质酸制备)联合心脏补片(由明胶-多巴胺及经多巴胺改良的聚吡咯制备)的综合治疗方法，与单模式系统相比，联合组在抑制左心室的扩张、减少心肌细胞纤维化方面更为显著，同时引起的血管生成活性更高。 2.1.2   聚苯胺   聚苯胺携带有π共轭主链，可以传导电子而被用作电活性支架，近年来得到了越来越多的关注，尤其因其原料易得、成本低、易于合成、结构形式多样、稳定性高、生物相容性好和具有良好的导电性等优点而被广泛用于心脏组织工程。其中生物相容性、机械性能和导电性是实现心脏再生必不可少的要素。 为了达到心肌细胞再生的目的，首要解决的是细胞相容性问题。而聚苯胺是否有细胞毒性一直存在争议，但有研究表明纯化的聚苯胺具备生物相容性，且将其与其他聚合物结合可以进一步增强其效果[17]。QAZI等[18]将聚苯胺与类似天然心脏特性的聚(甘油癸二酸酯)结合制成了一种新型导电复合贴片，扫描电镜和荧光图像均证实不同含量聚苯胺制成的贴片都可以支持C2C12细胞的黏附和增殖。 评价心脏组织工程材料的另一重要指标是适合心脏收缩与舒张活动的机械性能。天然心脏的杨氏模量在0.02-0.50 MPa之间，很多材料并不能满足此要求。为此KAPNISI等[19]开发了一种新的心脏补片设计方法：在壳聚糖-聚苯胺复合材料中设计了凹角蜂窝(蝴蝶结)结构，使其具有负泊松比，通过它的高度可调节性，补片的机械强度和各向异性可以在很广的范围内变化，以匹配天然心脏组织，此外体内、外实验证明其设计对心功能无不良影响。 良好的心脏功能需要同步心室收缩，这就要求所制备的心脏支架既可以传播电信号又能使移植细胞和宿主细胞的兴奋性相匹配。HSIAO等[20]采用静电纺丝技术成功地制备了聚苯胺/聚乳酸-乙醇酸纳米纤维网，经HCl掺杂使其携带正电荷，促进细胞有序排列并相互黏着形成孤立的细胞簇，间隙连接蛋白Cx 43的表达增强，介导了每个簇内细胞的同步搏动；而通过电刺激又使各孤立簇的收缩耦合在一起，最终实现了受损心脏中植入细胞和宿主心肌之间的电耦合，确保心脏同步舒缩。聚-3-氨基-4-甲氧基苯甲酸是一种羧基官能化聚苯胺，由于独特的自掺杂能力赋予其持续的导电性。将聚-3-氨基-4-甲氧基苯甲酸接枝到明胶上形成的共聚物，与碳二亚胺交联制成了一种可注射的导电聚合物水凝胶，体外结果表明其导电性比明胶水凝胶高12倍左右，且可以通过电流从一个心脏远距离兴奋另一个心脏。将此水凝胶注射到大鼠心肌梗死后瘢痕区，不仅可以改善电脉冲的传播，还使心脏同步收缩[21]。此外，聚-3-氨基-4-甲氧基苯甲酸与明胶结合还被制成了心脏补片，体内、外实验同样证明可以同步心室收缩进而改善心功能[22]。 2.1.3  聚噻吩   同其他材料相比，聚噻吩及其衍生物的研究较少，但其具有较优的导电特性和抗氧化稳定性，同时也有利于细胞的黏附和增殖。聚噻吩是一种π-共轭有机高分子，单体形式下具有丰富的反应活性位点和高氧化电位，结构缺陷多，容易发生过氧化，从而影响其理化性质；而在其芳杂环3/4位由乙撑二氧取代基取代后形成的聚三噻吩衍生物，结构更为规整，也更加稳定，同时提高了其刚性。此类衍生物因噻吩骨架结构的脆性加之疏水性，使其在形成具有3D结构的微孔材料上具有挑战。海藻酸已被应用到制作水凝胶上，其具有良好的水溶性，但细胞黏附性较差，且由于内部二价阳离子的作用机械强度较低，存在不可控性降解。聚噻吩能够很好地同细胞相黏附，结构稳定，能一定程度上同海藻酸相互弥补。YANG等[23]首次将聚噻吩同海藻酸相结合，试图利用海藻酸良好的膨胀性将2种材料混合形成3D结构的微孔薄膜，从制作工艺上来看制作相对简便，采用了己二酰肼作为交联剂，经氧化还原聚合和相应基团的共价酰胺化交联形成了聚合物。在对聚噻吩/海藻酸不同比例结合而成的聚合物进行测试发现，当两者比例＞4∶6时，聚噻吩的加入能够明显改善聚合物的机械性能；当两者比例在7∶3时导电性更佳，而无论两者的比例如何，在体外研究中均能够增加棕色脂肪来源干细胞的黏附、增殖及分化。此外，YANG等[24]将聚(噻吩-3乙酸)同甲基丙烯酸胺化明胶相结合，采用一步简易法研制出一种均匀导电双网水凝胶，该水凝胶的电导率(≈10-4 s/cm)符合天然心脏电传导要求，体内、外实验中证明了导电双网水凝胶可以促进棕色脂肪来源干细胞的存活、增殖和心肌分化，并上调连接蛋白43的表达。MARáKOVá等[25]将氧化石墨烯作为涂层包裹聚噻吩，在保证材料的导电特性的同时试图提高材料的生物相容性。聚噻吩-氧化石墨烯、聚吡咯-氧化石墨烯薄膜分别在以铟锡氧化物、石墨烯纸为基质的情况下，通过简单的一步电聚合工艺制备。测试后发现聚噻吩-氧化石墨烯/铟锡氧化物、聚吡咯-氧化石墨烯/铟锡氧化物在电传导上表现更佳，聚噻吩-氧化石墨烯/聚吡咯-氧化石墨烯弥补了石墨烯纸因表面形貌而不适于心肌细胞的增殖、分化，而聚噻吩-氧化石墨烯/石墨烯纸、聚吡咯-氧化石墨烯/石墨烯纸对心肌细胞的细胞相容性有着积极的影响。 2.2    碳纳米材料 2.2.1   石墨烯   石墨烯具有良好的机械强度、导电性和生物活性，但其在溶液中很难悬浮，而它的氧化形式氧化石墨烯在生物介质中能够制备出均匀的水悬浮液，因此被用于组织工程领域[26]。间充质干细胞移植治疗心肌梗死时所出现的植入率低和存活率低的问题一直受到广泛关注，其中最主要的原因是梗死心肌再灌注后所产生的过量活性氧。活性氧一方面可以抑制植入间充质干细胞与病变部位细胞外基质的黏附导致间充质干细胞死亡[27]；另一方面通过上调NF-κB的表达触发外源性凋亡机制[28]。氧化石墨烯具有清除过量活性氧的抗氧化活性，且通过化学还原形成的还原态氧化石墨烯抗氧化能力进一步提高。利用此特性可以减轻巨噬细胞的炎症反应，并诱导M1型巨噬细胞向M2巨噬细胞极化，促进细胞因子的分泌，减轻纤维化，改善心功能[29]。此外，其表面的官能团还具有吸附细胞外基质蛋白的作用，进而促进细胞黏附到氧化石墨烯，提高了间充质干细胞的存活率。CHOE等[30]开发了一种还原氧化石墨烯/海藻酸钠微凝胶系统用于递送间充质干细胞，使其免受心肌梗死组织内活性氧的影响而显示出几乎100%的活性。将该凝胶系统在体外与心肌细胞共培养，不仅提高了心肌细胞的存活率和成熟率，而且与间充质干细胞增殖和心脏再生相关的细胞因子表达也增强。体内实验中向梗死区注射含间充质干细胞的微凝胶，不仅改善了心肌梗死后的重塑，还增强了心脏功能。 氧化石墨烯在心脏组织工程中的应用得到了广泛关注，可通过多种技术手段将其加入到天然生物材料中赋予其导电性和表面性质，并进一步改善梗死区心脏的功能。壳聚糖和胶原是被广泛研究的生物相容性材料，有研究在壳聚糖支架中加入氧化石墨烯-金纳米片使材料的导电性提高了近2倍，并且具有理想的溶胀性和可控的降解性能，植入大鼠心肌梗死模型后可以改善心肌收缩力，恢复心室功能。NORAHAN等[31]利用氧化石墨烯涂层胶原支架制备了一种电活性心脏贴片，在没有外部电刺激的情况下该贴片能够支持新生心肌细胞的黏附，上调心脏基因(Cx43、Actin4和Trpt-2等)的表达，并且促进了血管生成。 在组织工程应用中氧化石墨烯主要被制成了可注射水凝胶，它不仅可以为梗死区提供机械支持，还可以通过传输电信号来恢复心室功能。BAO等[32]将氧化石墨烯引入由多臂交联剂PEGDA700三聚氰胺和巯基改性透明质酸交联形成的可注射水凝胶中，并包埋脂肪基质细胞注入大鼠心肌梗死区，结果显示梗死区域血管密度增加，梗死面积缩小，心脏射血分数增加，同时α-平滑肌肌动蛋白和连接蛋白43表达增加，说明该水凝胶通过提高机械支持和传递电信号改善了心功能。富马酸低聚物(聚乙二醇)水凝胶可为受损的组织提供机械支持，缩小梗死面积，改善心功能，还可以用于生长因子和细胞的递送。将氧化石墨烯纳米粒子引入聚乙二醇中制备的导电水凝胶，可以通过激活典型的Wnt信号通路，在健康心肌和瘢痕内心肌细胞之间提供机械支持和电连接，进而促进心脏的同步收缩[33]。 2.2.2  碳纳米管   碳纳米管具有独特的导电和机械性能，被广泛用于生化传感、药物传递及组织工程。有研究发现，碳纳米管可以通过激活β-1整合素介导的FAK/ERK/GATA4通路来促进缝隙连接蛋白的表达，进而增强心肌细胞闰盘结构的组装，改善心脏功能[34]。 碳纳米管在复合材料中呈圈状排列，既往也曾有将单壁碳纳米管同明胶以戊二醛进行交联的报道，但需注意的是碳纳米管本身具有毒性，因此应严格控制复合材料中碳纳米管的含量。LI等[35]将低浓度的单壁碳纳米管与聚异丙基丙烯酰胺联合制备出一种热敏感水凝胶，并在其上接种棕色脂肪来源的干细胞，该细胞不仅可以促进旁分泌，而且具有向心肌细胞分化的巨大潜力。实验结果显示该材料低毒，能够显著缩小梗死区面积，且有良好分化为心肌细胞的能力。聚氨酯具有良好的抗蠕变性，能够适应长期血压的冲击，近年来被广泛应用于心脏组织工程领域，然而其缺乏良好的生物学特性，且其亲水性主链上缺少功能基团，使共培养的细胞不能黏附和增殖。TONDNEVIS等[36]尝试通过静电纺丝的技术将明胶、碳纳米管同聚氨酯结合来弥补聚氨酯材料的不足，一方面，碳纳米管增加了材料的杨氏模量，同时明胶也提高了材料的孔隙率、亲水性能(因明胶的氨基及羧基官能团的作用)、物理学特性，促进了材料上H9C2细胞和内皮细胞的黏附及增殖；另一方面，静电纺丝形成的纳米纤维结合碳纳米管提高了材料的导电性能。 2.3   金纳米材料   金纳米材料包括金纳米颗粒、纳米棒、纳米线等，其中在心脏组织工程中应用最广的是金纳米颗粒，它不仅具有良好的导电性、稳定性和生物相容性，而且有利于间充质干细胞的功能分化；此外，还发现金纳米颗粒能够通过减小梗死面积、减轻胶原沉积、抑制炎性细胞因子和促进心脏收缩功能来改善心功能[37]。 明胶-甲基丙烯酸是一种光交联水凝胶，由脱水明胶和甲基丙烯酸酯组成，适用于广泛的组织工程。NAVAEI等[38]将合成的金纳米棒与明胶-甲基丙烯酸均匀混合，然后进行紫外交联制备了明胶甲基丙烯酸-金纳米棒杂化水凝胶。与纯明胶水凝胶相比，明胶甲基丙烯酸-金纳米棒杂化水凝胶具有更细的孔径，更小的溶胀率，同时还能保证支架材料中心肌细胞的营养供给。此外，带正电荷的金纳米棒与带负电荷的明胶-甲基丙烯酸之间通过静电作用维持了支架结构的完整性，并提高了机械刚度。将心肌细胞接种于该杂化水凝胶中培养7 d观察到了完整组织层的形成，并有α-横纹肌辅肌动蛋白、肌钙蛋白Ⅰ、连接蛋白43均匀分布于组织中，为复合材料提供了良好的机械应力。金纳米棒的嵌入能够增强基质的导电性能，亦保证了心肌细胞间信号的传导，从而增强了细胞的兴奋-收缩偶联，这一点可以从钙瞬态谱上均匀一致的钙峰值得到验证。PENA等[39]将金纳米粒子偶联到反式热凝胶的骨架上开发出一种低黏度可注射式水凝胶，该材料在制作时因金纳米颗粒的羧基使其具有良好的水溶性，可直接同反式热凝胶-赖氨酸相结合，从而简化了聚合物形成的流程。该水凝胶在35 ℃左右时能自发由液态变为凝胶状态，且支架材料呈层状排列，具有非常多的孔隙，能够支撑心肌细胞的生长、延展。 除了制作成水凝胶外，HOSOYAMA等[40]制备了一种基于胶原蛋白的心脏补片，该补片由弹性水凝胶层和含金纳米纤维层构成，分别提供了力学支持和导电性能。体内实验表明，该补片能够将心肌梗死的瘢痕组织减少1/4，同时在梗死组织中发现M2型巨噬细胞相对增多，说明该补片在产生炎性反应的同时也能够促进组织修复，而且在梗死区域发现了CD31+/ɑ-SMA+血管数量的增多，说明与此同时促进了梗死区域血管的再生。以蓖麻油或者聚乙二醇制备的聚氨酯具有优异的抗张强度和突出的高回弹性。有研究者以金纳米管/纳米线为纳米支架结合聚氨酯，通过盐浸出技术制备了具有均匀微孔的心脏补片，将H9C2心肌细胞在该材料上培养并加用电刺激模拟体内环境，发现心房钠尿肽、钠尿肽前体B、心脏同源框转录因子(Nkx2.5)、肌细胞增强因子2(Mef2c)的表达水平均上调，其中心脏同源框转录因子和肌细胞增强因子2与心脏的传导密切相关，而心房钠尿肽、钠尿肽前体B反映了心肌细胞对电刺激的收缩反应，综上表明该补片上的心肌细胞能够维持正常的功能[41]。为了进一步降低贴片的免疫原性，SHEVACH等[42]将金纳米粒子镶嵌到由患者自身大网膜制作成的脱细胞基质骨架上，并证实了该种贴片有更高的钙瞬变，能够有效抑制成纤维细胞的增殖，同时连接蛋白43规则地排列在心肌细胞间使补片具有更强的收缩力，并且在体内环境下能够维持稳定状态。如前文所述，心脏补片在使用时有可能会因缝合而对心肌细胞产生损伤，MALKI等[43]利用金纳米棒能够吸收光并将其转化为热能的特性，利用近红外激光(808 nm)对金纳米棒同蛋白电纺纤维组成的复合支架进行了测试，证明了其能够牢固且安全地附着于心室壁，最大限度地降低由传统缝合方法造成的额外损伤风险。 "