A composite conductive hydrogel loaded with alginate/gelatin microspheres with micro-environmentally induced smart temporal regulation for acute myocardial infarction treatment

Carbohydrate Polymers，Volume 384, 15 July 2026, 125346

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2026.125346

一、研究背景

构建可响应递送干细胞的时序调控生物材料体系，同步改善梗死心肌局部微环境、补偿心肌电机械耦合缺损，协同实现干细胞心肌修复治疗，是急性心肌梗死（AMI）再生医学领域亟待攻克的关键难题。心肌梗死后，病灶区域会出现活性氧（ROS）大量蓄积、炎症持续浸润、心肌电信号传导紊乱、纤维化过度增生及血管新生不足等多重病理损伤；单纯干细胞注射存在细胞留存率低、旁分泌作用短暂、无法适配梗死微环境时序修复需求等缺陷，传统单一功能水凝胶难以同时满足导电适配心肌电生理、抗氧化抗炎、可控缓释干细胞、适配心肌力学等多重修复需求。因此，开发集ROS响应、导电、可注射、自修复、干细胞时序可控递送于一体的多功能复合导电水凝胶，对急性心梗的高效修复具有重要临床价值。

二、材料体系构建与制备工艺

本研究设计基于苯硼酸修饰透明质酸（HA-PBA）、多巴胺改性明胶（GT-DA）、硼酸功能化聚苯胺（BPA）构建ROS响应型导电水凝胶（HGB系列），并负载包载脂肪来源干细胞（ADSC）的海藻酸钠/明胶（Alg/GT）复合微球，构筑微环境诱导型时序调控复合导电水凝胶修复体系。

1、功能大分子前驱体制备

A.HA-PBA：通过透明质酸接枝苯硼酸基团，赋予水凝胶ROS响应降解与清除活性氧的能力；

B.GT-DA：明胶共价接枝多巴胺，提供动态邻苯二酚交联位点，实现水凝胶的可注射性与自修复性能；

C.BPA：硼酸基团修饰聚苯胺，作为导电功能基元，同时发挥抗氧化、促心肌细胞成肌分化的作用。

2、Alg/GT干细胞微球制备

采用乳化法制备海藻酸钠-明胶复合微球，将ADSC接种负载于微球内部；Alg/GT微球具备优异的干细胞承载能力，可持续诱导ADSC分泌血管内皮生长因子（VEGF），强化干细胞的旁分泌修复效应。

3、复合导电水凝胶成型

将负载ADSC的Alg/GT微球均匀分散于HA-PBA/GT-DA/BPA预混液中，基于硼酸-邻苯二酚动态共价键与聚苯胺分子间相互作用原位交联，得到系列导电复合水凝胶（HGB0、HGB1.5、HGB3、HGB4.5、HGB6）；通过调控BPA掺杂量优化水凝胶的导电、力学及抗氧化性能，筛选出最优配比HGB3用于后续体内外评价。

三、材料理化性能表征

（一）化学结构验证

核磁氢谱（¹H NMR）分别证实HA-PBA、GT-DA中特征苯环与邻苯二酚特征质子峰的成功引入；傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证HA-PBA、GT-DA及复合水凝胶特征官能团的存在，证明动态交联网络成功构建。透射电镜（TEM）观测显示，BPA纳米导电单元呈均匀分散的纳米团聚结构，可均匀嵌入水凝胶三维网络。

（二）流变、导电与加工性能

1、导电性能：随BPA含量提升，水凝胶电导率梯度上升，其中HGB3的电导率适配正常心肌组织导电区间，可修复梗死区电信号传导障碍；

2、流变性能：流变曲线显示复合水凝胶的储存模量G'始终高于损耗模量G''，具备稳定的固态凝胶特性；剪切-恢复循环测试证明材料具备优异可注射性，挤出成型后可快速恢复力学强度；

3、自修复性能：切断拼接后水凝胶可快速自主愈合，愈合后维持原有力学与导电功能；

4、微观形貌：扫描电镜（SEM）显示系列水凝胶均具备贯通多孔的三维网络结构，孔隙尺寸随BPA添加量适度调控，利于细胞黏附、营养渗透与血管向内生长。

四、体外生物功能评价

1. 抗氧化与细胞保护功能

DPPH自由基清除实验证实HGB系列水凝胶具备显著抗氧化活性；ROS荧光染色（DCFH-DA）结果表明，HGB3可高效清除LPS诱导细胞产生的大量ROS。在H₂O₂氧化应激模型下，活死细胞染色与细胞活力定量结果表明，HGB3可显著缓解氧化应激诱导的ADSC凋亡，维持干细胞存活活性。

2. 炎症微环境调控能力

在LPS诱导的巨噬细胞炎症模型中，qPCR定量结果显示：单纯LPS组促炎因子IL-1β、IL-6表达显著上调；经HGB0、HGB3处理后，促炎因子释放被大幅抑制，其中HGB3的抗炎效果最优。机制层面，该材料通过清除胞内ROS阻断炎症信号通路，同时诱导巨噬细胞由促炎M1型向抗炎修复M2型极化，从而重塑抗炎微环境。

3. 促心肌成肌分化与血管旁分泌功能

心肌肌球蛋白重链（MHC）免疫荧光染色结果证实：导电组分BPA可单独促进肌细胞成肌分化；在负载ADSC微球的复合水凝胶（HGB3/Alg/GT@ADSC）协同作用下，MyoD、MHC等成肌相关基因表达量显著上调，心肌细胞分化效率大幅提升。细胞旁分泌实验表明，Alg/GT微球可长效缓释VEGF，与纯细胞培养板相比，复合水凝胶体系的VEGF累积释放量提升约1.5倍，为血管新生提供充足的生长因子。