《AFM》 广工谭帼馨/广医周蕾：可注射力学顺应性“电子水凝胶”助力糖尿病骨骼肌再生

近日，广东工业大学谭帼馨教授和广州医科大学附属第三医院周蕾教授团队开发出一种可注射“力学顺应性水凝胶生物电子材料”，可通过“免疫调控+电耦合”协同作用，显著促进糖尿病肌肉组织再生。相关工作以题为“ Mechanically Compliant Hydrogel Bioelectronics Promote Diabetic Skeletal Muscle Regeneration Through Immunomodulatory and Electrocoupling Effects ”的文章发表在2025年05月05日的期刊《

Advanced Functional Materials

糖尿病患者常伴随慢性炎症与免疫功能紊乱，导致肌肉组织修复能力大幅下降，尤其在发生创伤或手术切除后形成的“体积性肌肉缺损”（VML），几乎无自然愈合能力。 临床上 传统治疗手段疗效有限 。 当前再生医学虽探索出多种组织工程支架材料， 尤其是 植入式生物电子材料 通过 电耦合 疗法治疗肌肉损伤 中显示出潜力 ， 但在应对糖尿病VML修复时仍面临巨大挑战。一方面，传统导电材料与软组织力学不匹配，难以实现长期稳定的电信号传导；另一方面，糖尿病相关免疫微环境长期处于“促炎”状态，显著抑制肌肉再生。

针对糖尿病大体积骨骼肌缺损（VML）修复中“慢性炎症+电信号中断”的双重障碍，广东工业大学谭帼馨教授与广州医科大学周蕾教授团队联合研发出一种具备力学仿生、可注射、导电与免疫调节多重功能的智能水凝胶材料（GKP水凝胶）。该水凝胶由三种天然高分子—氧化葡甘露聚糖（OKGM）、多巴胺功能化聚吡咯（PPy-PDA）纳米颗粒与明胶（Gel）自组装而成，具备出色的组织黏附性、电导率与可塑性。GKP水凝胶的弹性模量与天然骨骼肌高度匹配，注射后可在缺损区域快速形成稳定的组织贴合界面，并适应肌肉动态运动所产生的应力波动。其内部连续导电网络由PPy-PDA构建，可有效重建电生理信号通路，增强肌肉电兴奋性。更为关键的是，水凝胶中的OKGM可靶向巨噬细胞甘露糖受体 ， 特异性调控M2巨噬细胞极化，抑制炎症反应 ， 实现免疫调节与电偶联协同促进糖尿病VML模型肌肉再生。

图1 免疫调节电活性水凝胶示意图。(a)机械顺应性水凝胶示意图。(b) GKP水凝胶促进糖尿病骨骼肌愈合的机制。

通过动态共价键、氢键和静电相互作用，形成的机械顺应性GKP水凝胶能够匹配骨骼肌组织的力学性能，形成长期稳定的保形界面，防止骨骼肌运动导致水凝胶与组织失配，保证电偶联效应的有效延续。GKP水凝胶通过电偶联和免疫调节协同作用于糖尿病骨骼肌缺陷的机制和治疗过程。GKP水凝胶中的OKGM与甘露糖受体结合，招募并介导M2型巨噬细胞的极化，使水凝胶生物电子学具有固有的免疫调节特性，减缓糖尿病条件下的炎症反应，从而促进骨骼肌愈合。此外，GKP水凝胶提供的导电微环境可以增强内源性或外源性细胞的电通讯。因此，利用GKP水凝胶的电偶联效应，配合骨骼肌组织独特的电生理特性，重新建立骨骼肌缺陷区域的电偶联，恢复电生理信号在缺陷区域的传播，改善缺陷电生理，从而促进骨骼肌愈合。

图2 GKP水凝胶的机械性能、注射性能和自愈性能。各组GKP水凝胶：(a)频率扫描模式流变分析，(b)平均储存模量，(c)剪切减薄试验，(d)应变幅扫描试验。(e)通过在1%至200%的振荡应变范围内反复恢复来评估GKP水凝胶的自愈性能。(f) GKP水凝胶宏观自愈行为图像。(g)拉伸曲线，(h)杨氏模量，(i)压缩曲线，(j) GKP-0水凝胶压缩循环曲线，(k) GKP-8水凝胶压缩循环曲线，(l) GKP-8水凝胶能量耗散。

GKP水凝胶具有与人体骨骼肌相匹配的力学模量，具备100%自愈能力，可承受反复压缩拉伸，突出了其在骨骼肌组织工程中的应用潜力。

图3 GKP水凝胶的粘接和导电性能。(a)猪皮搭接剪切试验示意图。(b)搭剪黏附曲线和(c)各水凝胶组的定量分析。(d) CV曲线，(e)不同GKP水凝胶基团的频率依赖性电化学阻抗谱。(f)用GKP水凝胶构建的电路图像。(g)各种GKP水凝胶基团的电导率。(h) GKP-8水凝胶的敏感性。GKP-8水凝胶的耐药性变化曲线：(i)小菌种，(j)大菌种。(k)体外肌电图记录的实验装置图像。刺激电极插入左侧肌肉组织，记录电极插入右侧肌肉组织。(l)不同GKP水凝胶组肌电波幅与正常肌肉组织电导的比较。

GKP水凝胶中醛基团的存在允许与新鲜组织表面的氨基发生共价反应，使其能够牢固地附着在有缺陷的组织界面上。此外，静电相互作用和氢键促进了水凝胶与组织之间的强粘附 ， 最终 快速形成稳定的组织贴合界面。此外，PPy-PDA纳米颗粒均匀分散并形成可渗透网络，形成稳定导电网络，有效传导电生理信号，促进肌肉组织电信号传导 ， 提升肌肉兴奋性与功能恢复。

图4 GKP水凝胶促进功能恢复。(a)正常大鼠作为对照的电生理试验示意图。(b)弱刺激（0.1 V）和强刺激（1 V）下的肌电图记录结果。(d)电生理试验图像。(e)未损伤大鼠和未处理或GKP-8水凝胶处理的损伤大鼠的肌电波幅记录。(f) 10 V刺激未损伤大鼠和GKP-8水凝胶治疗损伤大鼠，同时用GKP水凝胶填充缺损的肌电图。(g)爬坡实验图像。30°和60°倾斜试验用于评估运动功能恢复；(h)各组大鼠跳跃率；（i）有效的测试。(j)术后4周各组有代表性的爪印。(k)术后4周各组大鼠空间步态参数（步长）。

通过 电生理测试 表明， GKP水凝胶由于其基于连续导电网络的优异导电性和与肌肉的力学匹配 ， 注射后GKP水凝胶快速建立组织间电连接，肌电信号幅度与正常肌肉接近 。 证实 可以增强肌肉组织的有效导电性和组织-水凝胶界面的协调接触，能在骨骼肌缺损处实现有效的电传导 。 斜坡爬行测试与抓力测试中，GKP处理组表现优于对照组 ， 表面 促进 了 新生骨骼肌电生理功能的恢复 ， 改善 了 运动功能：。此外，GKP水凝胶能够重建电活性微环境，抑制慢性炎症，重塑炎症微环境，促进肌成纤维细胞分化，通过电耦合和免疫调节协同促进肌肉再生和功能恢复，显示了其在肌肉再生中的益处和更广泛的用途。

图5 GKP水凝胶促进大块骨骼肌缺陷的愈合。(a)实验过程概览示意图。术后4周处死大鼠，取骨骼肌作进一步检查。(b)手术诱导的大鼠骨骼肌缺损术后骨骼肌再生示意图。(c)大鼠骨骼肌损伤部位图像。(d)治疗4周后SD大鼠骨骼肌损伤部位的Masson染色和(e) H&E染色。(f) iNOS, (g) Arg-1的代表性免疫荧光图像。(h)治疗4周后SD大鼠骨骼肌损伤部位MHC免疫组化标记图像的代表性免疫荧光图像。(i)每平方毫米有中心核肌纤维的数目。

此外， HE染色与Masson染色显示GKP水凝胶减少炎细胞浸润、抑制纤维化，MHC染色证实肌纤维再生显著增强 。 qPCR与免疫荧光标记结果均支持M2型巨噬细胞上调、M1型下调，表明其优异的免疫调控能力。 这是由于 GKP水凝胶中的葡甘露聚糖可介导巨噬细胞极化至抗炎表型（M2型），并产生抗炎作用。

这项研究不仅为糖尿病肌肉损伤修复提供了可行策略，也为“生物电子材料+免疫调控”在组织工程领域的融合应用开辟新思路。此外，该水凝胶的设计理念具备高度可拓展性，有望在神经修复、心肌重建等电活性组织修复中获得更广泛应用。未来团队也计划推进原料合成工艺优化与临床转化研究。

参考文献

Lin Y, Xing X, Kang X, et al. Mechanically Compliant Hydrogel Bioelectronics Promote Diabetic Skeletal Muscle Regeneration Through Immunomodulatory and Electrocoupling Effects[J]. Advanced Functional Materials, 2025: 2423340.

https://doi.org/10.1002/adfm.202423340

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202423340

来源：高分子科学前沿