本研究由中国科学院北京纳米能源与系统研究所（北京纳米能源与系统研究所，中国科学院）、北京大学口腔医学院（北京大学口腔医院）、北京大学医学部医学技术研究院及广州蓝能研究院等多机构合作完成。相关论文以“Mechano-iontronic Hydrogels Generating Biomimetic Endogenous Bioelectricity for Promoting Cartilage Regeneration”为题，发表于 Advanced Materials 期刊，并于2025年9月18日在线发表。
本研究属于再生医学与生物材料交叉领域，旨在解决关节软骨（Articular cartilage）修复这一长期临床难题。关节软骨因其无血管、无神经的特性，自我修复能力极其有限。传统修复策略，如使用外源性电刺激或压电材料，常常难以精准模拟天然软骨在受力时产生内源性离子电子生物电的特性。生物体内的生物电，本质上主要是离子电子形式的，即由未屏蔽离子产生的电场或离子通量形成的电流。软骨在压力形变下，其基质内的带电表面会驱动离子流动，从而产生离子电子电位，这是一种与基于晶体电偶极子偏转的人工压电效应截然不同的机械-离子电子转换机制。此外，机械力信号本身也能通过如Piezo1这类机械门控离子通道调控细胞功能，并通过整合素-细胞骨架通路调节基因表达、细胞增殖与分化。因此，作者团队提出设想：能否设计一种生物仿生的机械-离子电子生物活性材料，以同时耦合天然软骨的生物电学与力学特性？本研究正是基于这一科学问题而展开。其核心目标是：仿生设计一种植入式机械-离子电子水凝胶（Mechano-iontronic hydrogel, MI-hydrogel），使其在形变时产生类似于天然软骨的离子电子生物电，并探究这种耦合刺激（离子电子电与机械力）对软骨再生的促进作用及其背后的分子与代谢机制。
研究的详细工作流程可概括为以下五个主要环节，环环相扣，层层递进。
首先，是机理验证与材料仿生设计环节。研究团队首先通过实验和有限元模拟（Finite-element simulation）共同证实了天然软骨在非均匀压缩下确实会产生离子电子电位。他们将猪软骨或水凝胶样本浸入培养液，使用两端放置的金电极和压头进行测量，发现电压输出与压缩位置对称，中心点电压最低，两侧点电压最高（约2 mV）但方向相反，电流输出趋势一致。这符合离子极化机制：软骨中带负电的糖胺聚糖（Glycosaminoglycans， GAGs）迁移速率远低于钠、钾等阳离子，导致受压部位的阳离子被挤出，留下阴离子，从而产生极化。受此启发，他们设计了一种含有聚（N-丙烯酰基甘氨酰胺）（poly(n-acryloyl glycinamide)， PNAGA）网络和生理盐水（0.9 wt.% NaCl）的水凝胶。由于氯离子迁移率高于钠离子，该水凝胶在受压时能产生类似的离子电子电位，此效应被称为“压离子效应”。研究制备了三种不同聚合物含量（7.5 wt.%, 15 wt.%, 30 wt.%）的PNAGA水凝胶，并添加或不添加NaCl。力学测试显示，30 wt.% PNAGA水凝胶的模量高达3.4 MPa，远超7.5 wt.%的10 kPa，能为软骨修复提供更好的力学支撑。电学性能测试表明，30 wt.% PNAGA + 0.9 wt.% NaCl的MI-hydrogel在30%压缩应变下能产生高达7.9 mV的电压和120 nA的电流，输出性能最优。通过积分电流输出与压力的关系，计算出的等效压电系数高达72,500 pC N⁻¹，且经过约1000次循环（5000秒）后输出保持稳定。体外降解与溶胀测试也显示，该水凝胶在PBS中4周内性质稳定，确保了其在体内的长期有效性。本环节的关键创新在于，首次明确地将MI-hydrogel的发电机制与天然软骨的内源性生物电生成机制对齐，并通过材料设计实现了性能的优化。
其次，进入体外细胞实验环节，探究MI-hydrogel对干细胞成软骨分化的影响。研究团队设计了一套定制化的体外力学加载系统，该系统由一个电机驱动的往复盖板与标准多孔板组成，盖板下方粘有与孔对齐的圆柱形压头。将封装了骨髓间充质干细胞（Bone marrow-derived stem cells， BMSCs）的明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶接种于孔底，上方放置尺寸匹配的MI-hydrogel。当系统启动时，压头对MI-hydrogel施加循环压缩应力（80 kPa，每天20分钟，持续7或14天），从而同步给予其下的BMSCs机械刺激与由水凝胶产生的离子电子电刺激。他们设置了四个对照组进行比较：高电输出MI-hydrogel（I+）与低/无电输出水凝胶（I-），分别在有（M+）和无（M-）机械刺激下进行测试。结果显示，细胞活力在各组间均保持良好。在基因和蛋白水平上，软骨生成标志物SOX9、COL2A1和Aggrecan（ACAN）的表达，在I+M+组（即使用MI-hydrogel并施加机械力）中均显著高于其他三组（I-M+, I+M-, I-M-）。阿尔新蓝染色（Alcian blue staining）及1,9-二甲基亚甲基蓝（DMMB）法定量也证实，I+M+组的GAG产量最高。尤为重要的是，研究者关注了机械敏感离子通道蛋白Piezo1，发现其在I+M+组中的表达也显著上调。这些结果表明，离子电子电与机械刺激的耦合，能有效促进BMSCs向软骨分化，并且这一过程可能与Piezo1通道的激活有关。为了验证普适性，研究还在人脂肪来源的间充质干细胞（Human adipose-derived mesenchymal stem cells， hADSCs）中重复了实验，得到了相似的趋势。
第三，进行体内动物实验，评估MI-hydrogel在活体内的修复效果。研究建立了大鼠双侧膝关节软骨全层缺损模型（直径2 mm，深度1.5 mm）。将制备好的MI-hydrogel（I+）或无/低电输出水凝胶（I-）植入缺损处，并设置了阴性对照组（NC，不植入材料）和假手术组（Sham）。术后让动物休息4周，以允许急性炎症期度过，然后对“运动组”（M+）大鼠进行为期4周或8周的跑步机训练（每天40分钟，每周5天），以模拟日常活动对植入水凝胶产生的周期性机械载荷。实验共设置了7个主要组别（每组n=3），包括NC M+, I+ M+, I- M+, NC M-, I+ M-, I- M- 和 Sham组。8周后对主要器官的组织学检查显示，所有组别均未发现系统性毒性。宏观观察、Micro-CT扫描及组织学分析（H&E染色、Safranin O/Fast Green染色、COL2A1免疫荧光染色）的结果高度一致。植入MI-hydrogel并进行运动的I+M+组，其软骨和软骨下骨的再生效果在所有组别中最为显著。8周后，缺损几乎被新的类软骨组织完全填充，表面光滑，并与周围天然软骨整合良好。Micro-CT定量数据显示，I+M+组的骨矿物质密度（Bone mineral density， BMD）、骨体积分数（BV/TV）和小梁骨数量（Trabecular number, Tb.N）均显著提高，小梁骨分离度（Trabecular separation, Tb.Sp）降低。组织学评分和COL2A1免疫荧光强度也证实了这一点。步态分析进一步显示，I+M+组大鼠的爪印接触面积更大、更均匀，接近假手术组，表明其功能恢复也最佳。同时，在缺损区域周围也观察到了强烈的Piezo1蛋白阳性信号，这与体外发现相呼应。本环节有力地证明了，运动强化的MI-hydrogel能有效促进软骨缺损在结构和功能上的修复，且修复效果优于单一的离子电子刺激或机械刺激。
第四，深入代谢组学研究，揭示耦合效应促进修复的内在机制。为了阐明“机械-离子电子”耦合效应如何从代谢层面驱动软骨修复，研究团队在动物实验的第4周和第8周，分离了大鼠的关节软骨组织，进行了非靶向代谢组学（Untargeted metabolomics）分析（液相色谱-质谱联用， LC-MS/MS）。他们重点比较了I+M+组与I-M-组（作为基线对照）、I+M+组与I-M+组（分离离子电子效应）、I+M+组与I+M-组（分离机械效应）之间的差异表达代谢物（Differentially expressed metabolites， DEMs）。代谢集富集分析（Metabolic set enrichment analysis, MSEA）的结果清晰地指向了谷氨酰胺（Glutamine）代谢通路。具体而言，在I+M+组中，谷氨酰胺（Gln）水平下降，而其下游产物谷氨酸（Glutamate）、α-酮戊二酸（α-ketoglutarate， α-KG）、三羧酸循环（Tricarboxylic acid cycle， TCA cycle）中的琥珀酸（Succinate）和柠檬酸（Citrate），以及抗氧化剂谷胱甘肽（Glutathione， GSH）的水平均显著上调。这种代谢模式表明，耦合刺激促进了“谷氨酰胺代谢重编程”：细胞加速摄取并分解谷氨酰胺，将其转化为谷氨酸，进而转化为α-KG，为TCA循环“加油”，提供能量和碳骨架，同时部分谷氨酸用于合成GSH以对抗氧化应激。为进一步验证，研究进行了靶向生化检测，证实了I+M+组中谷氨酸和α-KG含量升高、谷氨酰胺/谷氨酸比值下降，且TCA循环关键酶（柠檬酸合酶CS和α-酮戊二酸脱氢酶α-KGDH）的活性增强。
第五，进行机制验证实验，确认Piezo1与谷氨酰胺代谢的关键作用。研究团队在体外使用Piezo1特异性抑制剂GsMTx4处理BMSCs，发现其可显著抑制MI-hydrogel刺激下引发的细胞内钙离子（Ca²⁺）内流，并降低下游磷酸化CaMKII（p-CaMKII）和谷氨酰胺酶1（Glutaminase 1， GLS1）的表达水平。功能上，抑制Piezo1或GLS1均显著削弱了MI-hydrogel诱导的成软骨标志物（COL2A1， SOX9， ACAN）的上调。在体内，通过关节腔注射GsMTx4或GLS1抑制剂BPTES，发现两者均严重损害了MI-hydrogel（I+M+）带来的软骨下骨再生效果，骨微结构参数和步态功能恢复均出现倒退。这些药理学干预实验从正反两方面证实了一条清晰的信号轴：MI-hydrogel的耦合刺激→激活Piezo1通道→增加Ca²⁺内流→激活CaMKII→上调GLS1表达与活性→促进谷氨酰胺分解代谢（Glutaminolysis）→为软骨细胞分化和组织再生提供能量与代谢前体。这条“Piezo1–Ca²⁺–CaMKII–GLS1”信号轴的阐明，是本研究在机制层面的核心发现。
本研究得出以下结论：成功设计并验证了一种能够仿生模拟天然软骨内源性生物电生成机制的机械-离子电子水凝胶。该水凝胶在体内外均能有效促进软骨修复。其修复作用源于离子电子电与机械刺激的协同耦合，通过激活Piezo1离子通道蛋白，进而重编程软骨细胞的代谢微环境，特别是上调谷氨酰胺代谢和TCA循环，从而为软骨再生提供能量和物质基础，并增强抗氧化防御。
本研究的科学价值与应用价值重大。在科学上，它首次将“机械-离子电子”耦合效应系统性地应用于组织再生领域，不仅为软骨修复提供了一种全新的治疗策略，更重要的是揭示了一种全新的组织再生机制——即通过仿生材料耦合物理刺激，调控细胞代谢重编程来驱动修复。这为理解生物电与力学生物学在再生过程中的协同作用提供了新视角。在应用上，MI-hydrogel作为一种植入式、自供电、生物相容性好的活性支架，相比需要外部电源、二次手术或使用非生理性压电材料的传统方法，具有低感染风险、无需二次手术、使用便捷且修复效果优异等明显优势，展现出巨大的临床转化潜力。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：1. 高度的仿生性与机制创新：不是简单应用外源性电刺激，而是精准模仿天然软骨的内源性生物电（离子电子电）生成机制设计材料，实现了从“机制模仿”到“功能实现”的跨越。2. 多尺度、多层次的系统研究：从材料物理化学表征、体外细胞分子机制、体内动物修复模型到整体代谢组学分析，构成了一个完整且逻辑严密的证据链。3. 揭示了新颖的“电-力-代谢”耦合机制：首次将Piezo1通道的激活与谷氨酰胺代谢重编程联系起来，阐明了物理刺激转化为促进再生的生化动力的具体通路，这是对组织再生基础理论的实质性贡献。4. 研究设计的严谨性与创新性：包括定制化体外加载系统、考虑到运动干预时间窗的动物实验设计（术后休息4周再训练），以及对主要器官的生物安全性评估，都体现了研究的严谨。同时，等效压电系数的提出、有限元模拟与实验的结合，也展现了方法学上的创新。
此外，研究中还有一些有价值的细节，例如，水凝胶的长期稳定性、在不同间充质干细胞（BMSCs和hADSCs）中的普适性验证、以及通过步态分析将结构修复与功能恢复相关联，都进一步增强了研究结论的可靠性与完整性。这项研究为开发下一代智能生物活性材料、推动再生医学的发展开辟了一条富有前景的新途径。