西南交通大学鲁雄教授团队Small：受贻贝启发的基于电化学驱动原位纳米组装的具有持续活性氧清除、电活性和骨诱导性支架

【前言】

导电聚合物具有电刺激响应性，能够在电刺激作用下促进细胞的增殖和粘附。特别的，导电聚合物还能在电刺激作用下上调成骨相关基因的表达，在骨再生应用中具有良好前景。此外，导电聚合物还具有抗氧化性，能够保护正常组织/细胞免受过量活性氧（ROS）的损害。然而，由于纯导电聚合物缺乏细胞亲和性和骨诱导性，且易于过氧化而失去抗氧化性，限制了其在骨再生方面的进一步应用。

【成果简介】

针对以上问题，西南交通大学鲁雄教授课题组受贻贝的启发，通过逐层脉冲电沉积（LBL-PED）原位组装聚吡咯 - 聚多巴胺 - 羟基磷灰石（PPy-PDA-HA）纳米薄膜，提供一种制备具有电活性，细胞亲和力，持久性ROS清除和骨诱导性多孔Ti支架的新方法。在LBL-PED过程中，PPy-PDA 纳米颗粒和HA 纳米颗粒原位合成并均匀涂覆在多孔支架上。PPy-PDA纳米颗粒（PPy-PDA NPs）的儿茶酚基团增强了膜与Ti基底的粘附性。PDA与PPy复合并掺杂PPy中以提高支架的ROS清除率，并在很长一段时间内实现可持续的ROS清除。 HA和电刺激（ES）协同促进PPy-PDA-HA膜上的成骨细胞分化。最终，PPy-PDA-HA多孔支架拥有PPy-PDA NPs的电活性，细胞亲和力和抗氧化活性以及HA NPs的骨诱导性的协同效应，表现出优异的骨再生能力。这项研究提供了一种新的多孔支架功能化策略，在制备多功能组织再生植入物方面显示出巨大的潜力。

该研究成果以“A Mussel-Inspired Persistent ROS-Scavenging, Electroactive, and Osteoinductive Scaffold Based on Electrochemical-Driven in Situ Nanoassembly ”为题在线发表于《Small》。论文第一作者为在读硕士生周婷和博士研究生闫力维。该研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金等项目支持。

【图文导读】

图1 具有电活性，细胞亲和力，抗氧化活性和骨诱导性的PPy-PDA-HA涂层包覆的钛支架的制备。

（a）在二维Ti网上沉积PPy-PDA-HA膜后通过卷曲制备Ti支架。

（b）通过LBL-PED方法制备PPy-PDA-HA膜。在此过程中，每个PPy-PDA层或HA层原位沉积在子层的顶部。

（c-e）PPy-PDA-HA涂覆的多孔支架具有电活性，细胞亲和力，抗氧化性和骨诱导性。

图2 PPy-PDA-HA薄膜的表征。

（a）PPy-PDA-HA涂覆的Ti网的SEM。

（b-c）从内到外均匀涂覆PPy-PDA-HA的多孔钛支架的俯视图和侧视图。

（d）PPy-PDA-HA膜的粗糙结构。

（e）HA均匀分布在PPy-PDA-HA膜中。

（f）10次沉积循环后PPy-PDA-HA膜的厚度。

（g-h）水接触角测量显示在每次脉冲后PPy-PDA和HA层的成功沉积。

（i）Ti基底上的膜的粘附强度。

图3 PPy-PDA-HA颗粒的抗氧化性。

（a）PPy-PDA-HA薄膜或纳米粉末清除活性氧的示意图。在这个过程中，PPy-PDA NPs丢失的电子被ROS捕获。

（b）PPy-PDA-HA薄膜的CV曲线。

（c）PPy、PPy-PDA和PPy-PDA-HA粉末的一次DPPH清除。

（d）PPy、PPy-PDA和PPy-PDA-HA粉末的可重复DPPH清除。

（e）通过再充电可恢复PPy-PDA-HA粉末的DPPH清除能力。PPy-PDA-HA粉末在充电前只有8%的DPPH清除率。

图4 PPy-PDA-HA颗粒外保护细胞免受ROS的影响。

（a）PPy-PDA-HA薄膜或粉末消除细胞活性氧的示意图。当细胞不受PPy-PDA-HA膜保护时，ROS会激活DCFH-DA并产生荧光。相反，PPy-PDA-HA薄膜会消除ROS，不会产生荧光。

（b）ROS形成（DCFH-DA）的典型荧光图像。

（c）荧光酶标仪产生的DCF信号的定量测量。（*）表示两组之间的显著差异（p<0.05）。

图5不同成分和不同电刺激电位的BMSCs的高通量刺激。

（a）高通量电刺激的示意图。导电聚合物可以通过电刺激激活细胞膜中的Ca²⁺通道，因此细胞外Ca²⁺很容易进入细胞并激活Ca²⁺信号转导途径来调节成骨相关基因的表达。

（b）CLSM图像。

（c）不同ES电位下PPy、PPy-PDA和PPy-PDA-HA膜上BMSCs的增殖和分化。（e-h）有或无ES的BMSCs的成骨相关基因表达。

图6支架在体内具有良好的骨再生性能。

（a）PPy-PDA-HA涂层多孔支架植入示意图。

（b）植入12周后用亚甲基蓝和碱性品红染色的支架组织学图像。黄色箭头表示Ti网。BC表示骨接触。

（c）骨面积（ba）从组织形态测定。（*）表示两组之间的显著差异（p<0.05）。

【小结】

本研究采用表面原位纳米组装方法制备了具有持续活性氧清除能力、电活性、细胞亲和性、骨诱导性的PPy-PDA-HA膜包覆的多孔支架。通过电化学调控，原位合成PPy-PDA-NPs和HA-NPs功能性纳米颗粒，并将其交替均匀地涂覆在支架上。PDA的亲和力可以使PPy在电刺激下作用更多的细胞，从而实现PPy和PDA协同提升细胞的增殖。PPy和HA协同提升细胞的成骨分化，导电聚合物在电刺激作用下激活钙离子通道，促进钙离子的进入，上调成骨基因的表达。此外，长期抗氧化的PPy-PDA NPs保护细胞免受过量活性氧的侵袭。该方法为具有多种功能的生物材料表面改性提供了一种新的方法。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/smll.201805440

本文系西南交通大学鲁雄教授课题组供稿。

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