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长Wei Li、Zheng Li*、MuXin Yue等研究者开发机械离子水凝胶促进软骨再生
本研究由来自北京纳米能源与系统研究所（Chinese Academy of Sciences）的Longwei Li、YongSheng Zhou*、Xiong Pu*团队，与北京大学口腔医学院（Peking University School and Hospital of Stomatology）的Zheng Li*、YongSheng Zhou*等机构合作完成，成果发表于《Advanced Materials》期刊（2025年）。
学术背景
关节软骨因其无血管、无神经的特性，自我修复能力极差。传统方法（如外源电刺激或压电材料）难以模拟天然软骨的内源性离子型生物电特性。研究团队提出了一种仿生策略——植入式机械离子水凝胶（MI-hydrogel），通过模拟软骨在力学变形时产生的离子型生物电，结合机械刺激激活Piezo1离子通道蛋白，从而促进软骨再生。研究同时揭示该过程通过调控谷氨酰胺代谢重编程加速组织修复。
研究流程与方法
1. 机械离子水凝胶的设计与表征
- 材料制备：采用聚(N-丙烯酰氨基甘氨酰胺)（PNaGA）网络掺入生理盐水（0.9 wt.% NaCl），通过紫外光固化形成水凝胶。通过调节单体浓度（7.5-30 wt.%）控制材料模量（10 kPa至3.4 MPa）。
- 机制验证：通过有限元模拟（COMSOL）结合多孔弹性力学和泊松3Nernst-Planck方程，证实水凝胶在压缩时因阴/阳离子迁移率差异产生极化电势（类似天然软骨的离子型生物电）。
- 性能测试：30 wt.% PNaGA水凝胶在30%应变下产生7.9 mV电压和120 nA电流，等效压电系数达72,500 pC/N，优于传统压电材料。
2. 体外软骨分化实验
- 细胞模型：将骨髓间充质干细胞（BMSCs）封装在GelMA水凝胶中，覆盖MI-hydrogel并施加循环压缩力（80 kPa，20分钟/天）。
- 实验分组：对比高/低离子电输出水凝胶（I+ vs I-）与有无机械刺激（M+ vs M-）的组合。
- 结果：
- 基因表达：I+M+组中，软骨标志物（SOX9、COL2A1、ACAN）的mRNA表达显著高于对照组（**p<0.01）。
- 蛋白合成：免疫荧光显示I+M+组的Piezo1通道蛋白活化程度最高，伴随糖胺聚糖（GAG）分泌量增加（DMMB法验证）。
3. 体内软骨修复评估
- 动物模型：在大鼠股骨髁创建2 mm全层软骨缺损，植入水凝胶后分组进行跑步机训练（40分钟/天，19.3 m/min，5天/周），4周后启动运动干预。
- 评估方法：
- Micro-CT：I+M+组在8周后骨密度（BMD）和骨体积分数（BV/TV）显著高于对照组（**p<0.001）。
- 组织学：苏木精-伊红（H&E）和番红O染色显示I+M+组缺损区新生软骨组织与宿主整合良好，COL2A1免疫荧光强度提升3倍以上。
4. 代谢组学分析
- 方法：通过LC-MS/MS检测软骨组织的代谢物变化。
- 关键发现：
- 谷氨酰胺代谢重编程：I+M+组中谷氨酸（Glu）和α-酮戊二酸（α-KG）含量升高，谷氨酰胺（Gln）消耗增加，表明TCA循环增强。
- 抗氧化途径：谷胱甘肽（GSH）水平上升，提示氧化应激缓解。
5. 机制验证实验
- 药理学干预：使用Piezo1抑制剂GsMTx4或谷氨酰胺酶抑制剂BPTES后，软骨修复效果显著减弱（Micro-CT显示BMD下降40%），证实Piezo1-Ca²⁺-CAMKII-GLS1轴的核心作用。
主要结果与逻辑关联
- 水凝胶特性：高模量水凝胶（30 wt.%）通过离子极化效应产生高强度生物电，为后续细胞响应提供物理-电化学耦合刺激。
- 细胞实验：I+M+组的优异软骨分化效果，明确了离子电与机械力的协同作用依赖Piezo1通道激活。
- 动物实验：运动强化了水凝胶的离子电输出，通过代谢重编程（谷氨酰胺→TCA循环）促进能量供给和基质合成。
结论与价值
- 科学意义：首次提出“机械离子耦合效应”通过调控代谢微环境促进组织再生，为仿生材料设计提供新范式。
- 应用潜力：MI-hydrogel兼具生物相容性、自供电性和免二次手术优势，有望成为临床软骨修复的新平台。
研究亮点
- 仿生创新：水凝胶模拟天然软骨的离子电生成机制，转化效率（72,500 pC/N）远超传统压电材料。
- 机制突破：揭示Piezo1介导的力-电-代谢三重调控网络，为组织工程提供多靶点干预策略。
- 跨学科方法：结合材料科学（水凝胶设计）、力学模拟（COMSOL）和代谢组学（LC-MS/MS），系统性解析修复机制。
其他价值：研究还开发了定制化压缩装置和活细胞钙成像技术，为后续力学-电信号转导研究提供了工具支持。
（报告字数：约1800字）