兰州大学硕士生第一作者在顶刊《AM》发表磁电仿生软骨水凝胶研究成果！

近日，兰州大学研究团队在缺损软骨原位再生修复领域取得了新进展，开发了一种植入式磁电仿生软骨水凝胶。这种水凝胶在组成、结构和功能上能够仿生软骨组织，为软骨修复提供了适宜的理化环境和功能补偿。该材料基于磁电耦合循环转化效应，通过响应轻柔的关节运动负荷，释放自由激发且循环强化的电磁刺激，模拟和放大内源性电磁效应，从而在3个月内实现缺损软骨的原位再生，在软骨组织工程领域具有广阔的应用前景。该研究以“Implanted Magnetoelectric Bionic Cartilage Hydrogel”为题，发表在国际著名期刊《Advanced Materials》上。

研究显示，关节软骨承担着润滑和力学缓冲的功能。然而，由于其无血管、细胞密度低以及基质更新频率慢等特性，其自我修复能力有限。传统的临床干预手段不仅难以达到理想的修复效果，还可能引发严重的并发症，因此亟需创新性的软骨修复策略。近年来，软骨组织工程领域的研究进展表明，水凝胶材料在模拟有利于软骨修复的理化环境方面具有广阔的应用前景。尽管水凝胶材料展现出巨大潜力，但其在促进组织再生方面通常依赖于外源性生长因子或干细胞，这不仅带来了安全性和伦理方面的问题，还增加了系统的复杂性。随着物理刺激疗法的不断发展和应用，研究者们开始探索利用物理刺激激活与软骨修复相关的分子信号通路，从而实现缺损软骨的原位再生。在此背景下，开发一种能够提供原位电磁刺激的仿生软骨水凝胶成为该领域研究的重要方向，兰州大学研究团队基于此开展实验研究。

仿生概念在组织工程领域发挥着至关重要的作用。软骨组织因其结构复杂、成分多样以及功能重要，具有独特的理化环境和“内源性”电磁效应，这使得仿生软骨水凝胶的制备面临着巨大的挑战。兰州大学研究团队通过独特的三相溶剂体系，成功开发了一种创新型的植入式磁电仿生软骨水凝胶（VAFe）。这种磁电水凝胶通过整合双网络半交叉链纠缠结构的PHBV基复合水凝胶的压电相与Fe₃O₄纳米颗粒基磁致伸缩相，构建出一种具有类似天然软骨组织的含水量、孔隙率、压电性能、磁电性能和机械强度的仿生软骨水凝胶，从而为缺损软骨的原位再生提供了理想的理化环境和功能支持。当VAFe水凝胶植入缺损部位后，能够通过轻柔的关节运动激活其压电反应，进而触发磁电耦合循环转化效应，释放出一种自由激发且循环强化的电磁刺激。这种集成电磁耦合的方式将传统外加电场或磁场的不足完全克服，同时优化了传统压电模型的局限性，通过模拟和放大内源性电磁效应，显著提升了软骨修复的效果，展现出优于单纯压电刺激和磁刺激的综合优势。这一研究成果充分体现了VAFe水凝胶在诱导缺损软骨原位再生和治疗骨关节炎方面的巨大潜力。

VAFe水凝胶的制备过程与工作原理示意图

本项研究通过兔膝关节缺损模型验证了软骨修复的疗效，并证实了VAFe水凝胶的可靠生物相容性。在此基础上，兰州大学研究团队通过系列体内外实验验证了VAFe水凝胶的磁电耦合循环转化效应的可行性与优越性，同时深入探究了其潜在的作用机制。研究发现，VAFe水凝胶能够通过激活电压门控通道促进Ca²⁺的内流，从而调控与软骨修复相关的TGF-β信号通路，揭示了其具体的作用机制。综上所述，本项研究不仅拓展了压电材料与磁电材料在软骨修复领域的应用范围，为加速缺损软骨的原位再生和促进透明软骨修复提供了一条创新性治疗途径，同时也为未来的临床转化奠定了坚实的基础。此外，这些发现还为相关领域学者在内源性电磁效应的利用以及仿生水凝胶的开发方面带来了新的研究启发和方向。

兰州大学研究团队在该领域深耕多年，基于智能制造技术实现了具有仿生软骨结构的第一代软骨（Advanced Functional Materials 2021, 31, 2006697）以及可定制化墨水能够原位再生的第二代软骨（Advanced Functional Materials 2024, 34, 2400608）。兰州大学口腔医学院硕士研究生梁家琛为论文第一作者，口腔医学院范增杰教授为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、甘肃省联合研究基金、中央引导地方科技发展基金等项目的资助。

https://doi.org/10.1002/adma.202415417