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  組織再生是生物醫(yī)學(xué)工程的重要前沿方向，其中關(guān)節(jié)軟骨再生一直是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，原因在于軟骨組織缺乏血管和神經(jīng)，天然自我修復(fù)能力極其有限。在諸多組織工程手段中，外源性電刺激已被證實(shí)能有效促進(jìn)多種組織的再生修復(fù)，包括神經(jīng)修復(fù)、骨修復(fù)與關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)等。其根本原理在于生物電信號(hào)在組織再生過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，內(nèi)源性生物電主要表現(xiàn)為離子型電信號(hào)，即由非平衡離子形成的電場(chǎng)或離子流產(chǎn)生的電流，這與基于壓電、電磁、摩擦電等效應(yīng)產(chǎn)生的電信號(hào)存在本質(zhì)差異。

  針對(duì)上述挑戰(zhàn)，北京納米能源所王中林院士&蒲雄研究員聯(lián)合北大口腔醫(yī)院周永勝教授&李崢副教授，開(kāi)發(fā)了一種可植入的仿生“機(jī)械–離子電”水凝膠（Machano-Iontronic Hydrogel, MI-hydrogel），通過(guò)內(nèi)源性生物離子電刺激來(lái)增強(qiáng)軟骨修復(fù)。當(dāng)MI-hydrogel受到壓縮應(yīng)力而形變時(shí)，聚合物網(wǎng)絡(luò)中的離子隨溶劑發(fā)生遷移，然而陰陽(yáng)離子的遷移速率存在差異，從而形成離子分布梯度，最終產(chǎn)生離子極化電場(chǎng)。這種MI-hydrogel性質(zhì)和離子電機(jī)制與天然軟骨特性和生物電機(jī)制極為相似。研究表明，MI-hydrogel植入關(guān)節(jié)軟骨的缺損部位后，當(dāng)身體活動(dòng)時(shí)受到應(yīng)力變形，通過(guò)耦合離子電和機(jī)械刺激，激活機(jī)械敏感離子通道蛋白 Piezo1，從而促進(jìn)干細(xì)胞軟骨向分化，最終促進(jìn)軟骨修復(fù)，改善關(guān)節(jié)功能。更為重要的是，該研究還證明這些協(xié)同作用能夠重塑局部代謝微環(huán)境，增強(qiáng)谷氨酰胺代謝和三羧酸循環(huán)，從而為軟骨再生提供能量和代謝支持，加速軟骨再生過(guò)程。這項(xiàng)研究不僅突顯了MI-hydrogel作為新型治療手段的潛力，還引入了組織再生的新機(jī)制，為再生醫(yī)學(xué)提供了創(chuàng)新方法。

  該研究工作以題為“Mechano-Iontronic Hydrogels Generating Biomimetic Endogenous Bioelectricity for Promoting Cartilage Regeneration”發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials上（IF=27.4）。論文共同第一作者為李隆偉博士、李崢副教授和岳慕心博士，通訊作者為李崢副教授、王中林院士、周永勝教授、和蒲雄研究員。該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、海南省自然科學(xué)基金、科技部、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作項(xiàng)目和中央高校基本業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)的支持。

圖1 MI-hydrogel通過(guò)機(jī)械–離子電效應(yīng)促進(jìn)軟骨再生

圖2 天然軟骨與MI-hydrogel中的機(jī)械–離子電轉(zhuǎn)化

圖3 MI -hydrogel在壓力作用下促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞軟骨向分化

圖4大鼠膝關(guān)節(jié)軟骨缺損模型中，MI-hydrogel結(jié)合運(yùn)動(dòng)負(fù)荷顯著促進(jìn)軟骨再生

圖5 代謝組學(xué)揭示MI-hydrogel在軟骨修復(fù)過(guò)程中通過(guò)機(jī)械–離子電作用重塑代謝微環(huán)境

圖6 MI-hydrogel通過(guò)調(diào)節(jié)谷氨酰胺代謝加速軟骨再生

  該工作是蒲雄團(tuán)隊(duì)關(guān)于機(jī)械-離子電效應(yīng)相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一，該團(tuán)隊(duì)前期報(bào)道了一種新型的具有高電流輸出、低內(nèi)阻、高轉(zhuǎn)移電荷量的壓電離子水凝膠發(fā)電機(jī)（Nat. Commun. 2024，5, 1494）。研究了基于水凝膠材料的撓曲離子電極化機(jī)制，并報(bào)道了創(chuàng)紀(jì)錄的撓曲電系數(shù)（Adv. Mater. 2024, 36, 2403830）。設(shè)計(jì)了多梯度水凝膠來(lái)增強(qiáng)機(jī)械-離子電轉(zhuǎn)化（Nano Energy 2024, 110477）。李崢副教授團(tuán)隊(duì)近年來(lái)聚焦于組織再生微環(huán)境多維度調(diào)控的研究，系統(tǒng)解析了能量代謝和免疫調(diào)控在組織再生中的轉(zhuǎn)化應(yīng)用（Adv. Mater. 2024, 36, 2402738；Adv. Funct. Mater. 2023, 2309594；Stem Cells, 2019, 37(12): 1542-1555; Bioactive Materials, 2022, 18:492-506；International Journal of Oral Science, 2022, 14:54；Chemical Engineering Journal, 2024, 490:151892）。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202514604