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在生物医学研究中，传统材料带来环境负担且体外模型不够精准。研究人员开展导电生物材料用于体外模型的研究，发现这类材料可降低生态足迹、模拟电信号。其对推动再生医学等发展意义重大。
在生物医学研究的广袤领域中，传统材料的使用正面临着严峻的挑战。一方面，像聚苯乙烯、聚乙烯等石油基聚合物，大量应用于生物医学领域，每年产生约 590 万吨医疗废物，其中多数难以降解，对环境造成了极大的负担。另一方面，传统体外模型，如二维细胞培养，无法完全模拟人体复杂的生理环境，导致实验数据不准确；动物模型不仅昂贵，而且重复性差。因此，寻找既环保又能提高体外模型准确性的材料迫在眉睫。
来自爱尔兰利莫瑞克大学（University of Limerick）、葡萄牙米尼奥大学（University of Minho）等机构的研究人员，开展了关于导电生物材料用于体外模型的研究。研究发现，导电生物材料不仅具有生物可降解性和可持续性，还能模拟生物体内的电信号，显著提升体外模型的生理相关性。该研究成果发表在《In vitro models》上，为生物医学研究开辟了新的道路。
研究人员采用了多种关键技术方法。在材料制备方面，运用了生物材料合成技术，制备了如聚乳酸（PLA）、纤维素及其衍生物等可降解聚合物，以及导电聚合物和纳米复合材料等。在模型构建上，利用 3D 生物打印技术和器官芯片技术，构建了多种体外 3D 模型。同时，通过细胞实验和电刺激实验，探究导电材料对细胞行为和信号通路的影响。
研究结果如下：
- 体外 3D 模型的重要性与发展：体内细胞处于动态的 3D 环境中，传统 2D 细胞培养无法完全捕捉细胞间的复杂相互作用，而 3D 体外模型能更好地模拟组织结构和功能，在药物测试和生物学研究中至关重要。目前已开发出多种 3D 体外模型，如细胞球、类器官、器官芯片等，这些模型各有优势，但也面临一些挑战，如完全复制人体组织的复杂性仍有困难。
- 可持续材料在体外模型中的应用：可持续材料，如植物衍生材料和天然多糖，在体外模型中得到了广泛应用。聚乳酸（PLA）由玉米淀粉等可再生资源制成，具有生物可降解性和生物相容性，可用于制备组织工程支架；纤维素和纤维素衍生物具有良好的生物相容性和可降解性，在 3D 细胞培养和药物递送方面展现出潜力；琼脂和琼脂糖、海藻酸盐等天然多糖可用于创建模拟细胞外基质的水凝胶，支持细胞培养和组织工程。此外，透明质酸（HA）、胶原蛋白和明胶等天然生物聚合物也在组织工程和药物递送中发挥着重要作用。使用这些可持续材料，不仅可以减少对非可再生资源的依赖，降低环境污染，还能带来经济优势，如降低废物管理成本、吸引资金支持等。
- 导电材料在体外模型中的应用：导电材料在体外模型中具有重要作用，可模拟生物电环境，促进细胞的增殖、分化和迁移。常用的导电材料包括导电聚合物（如聚吡咯、聚苯胺、PEDOT:PSS 等）、碳基纳米材料（如碳纳米管、石墨烯等）、金属纳米粒子和离子液体等。这些材料可通过添加到生物材料支架中，或用于制备导电生物墨水和器官芯片，来提高体外模型的导电性和功能性。例如，在心脏器官芯片模型中，导电聚合物可模拟心脏组织的电生理行为，促进心肌细胞的对齐和功能收缩；在神经组织工程中，导电生物墨水可促进神经分化和神经网络的形成。
- 导电材料对细胞行为的影响：导电材料通过电刺激影响细胞行为和信号通路。电刺激可激活 PI3K/Akt 通路，促进细胞存活、增殖和分化；激活 MAPK/ERK 通路，增强细胞增殖和分化；调节 Wnt/β - catenin 通路，影响干细胞分化和组织发育；还可通过电压门控离子通道和钙信号传导，影响细胞的分化和突触可塑性。研究表明，导电水凝胶能为细胞提供生理相关的导电微环境，支持细胞的功能成熟和组织形成。
- 可持续性与导电性的融合：尽管导电添加剂对生物材料的导电性有益，但部分材料的可持续性存在问题，如碳基材料的生产具有较高的碳足迹。为此，研究人员探索使用可持续的生物基材料，如木质素和纤维素，作为碳基材料的前体，以提高材料的可持续性。同时，采用绿色合成方法制备导电生物材料，如生物基石墨烯的生产和生物模板法制备导电支架，可降低材料的环境影响，提高生物相容性。
研究结论表明，导电生物材料和生物墨水具有巨大的潜力，可通过引入动态生物电子和传感能力，改变体外 3D 模型。未来，应优先开展涉及下一代可持续和导电（生物）材料在体外心脏、大脑和神经系统模型中应用的研究。这将推动生物医学研究进入一个新的时代，以可持续性和技术创新为原则，为医疗保健领域带来新的突破。该研究不仅为解决当前生物医学研究中的环境和技术难题提供了方向，还为个性化医疗和再生医学的发展奠定了基础，有望显著提高疾病治疗效果，改善人类健康水平 。
