《AM》能源所蒲雄/王中林，北大口腔周永胜/李峥：机械离子电子水凝胶产生仿生内源性生物电促进软骨再生

研究背景

关节软骨损伤修复是一个长期的挑战，因为软骨是无血管和无神经的组织。传统的电刺激或电活性材料方法往往无法与天然软骨的内源性离子型生物电性相匹配。因此，开发具有生物相容性和软骨生成潜力的仿生支架材料对于关节软骨的有效修复至关重要。

研究内容

中国科学院北京纳米能源与系统研究所蒲雄、王中林、北京大学口腔医学院周永胜、李峥团队仿生设计了一种可植入的机械 - 离子电子水凝胶（MI-hydrogel），以促进软骨修复。这种 MI 水凝胶在受到形变时能够产生离子电子电，高度模拟了天然软骨的特征和机制。研究表明，MI 水凝胶能够在身体活动过程中协同整合离子电子电和机械刺激，从而激活离子通道蛋白 Piezo1。这种激活作用在体外促进了干细胞向软骨细胞的分化，并在体内促进了软骨修复。此外，这些耦合效应被证明能够重编程代谢微环境，增强谷氨酰胺代谢，从而加速软骨再生过程。这项研究不仅强调了 MI 水凝胶作为一种新型治疗平台的潜力，也为组织再生引入了一种新机制，为再生医学中的创新方法铺平了道路。该工作以“Mechano-Iontronic Hydrogels Generating Biomimetic Endogenous Bioelectricity for Promoting Cartilage Regeneration”为题，发表在Advanced Materials期刊上。

文章亮点

1. 仿生设计创新：开发了一种机械离子电子水凝胶（MI-hydrogel），能够模拟天然软骨的离子型生物电性，为软骨修复提供了一种新型生物材料。

2. 多机制协同作用：揭示了MI-hydrogel通过激活离子通道蛋白Piezo1，协同整合离子型电场和机械刺激，促进干细胞的软骨生成分化，加速软骨修复。

3. 代谢重编程：发现MI-hydrogel能够重新编程软骨代谢微环境，增强谷氨酰胺代谢和三羧酸循环（TCA cycle），从而加速软骨再生，为组织再生提供了新的代谢视角。

4. 体内体外验证：通过体外实验和体内动物模型，验证了MI-hydrogel在促进软骨修复和再生方面的显著效果，展示了其临床应用潜力。

5. 临床应用前景：该研究不仅为软骨修复提供了一种新的策略，还为其他组织再生领域提供了新的思路，具有广泛的应用前景。

图1： 展示了MI-hydrogel的设计理念和植入软骨缺损后的修复机制。MI-hydrogel在关节运动中产生离子型电场，激活Piezo1，促进软骨再生。

图2： 比较了天然软骨和MI-hydrogel的离子型电场生成机制，并通过实验验证了MI-hydrogel的电输出特性。

图3： 通过体外实验，展示了MI-hyd rogel在机械刺激下促进干细胞软骨生成分化的能力，包括基因和蛋白表达的变化。

图4： 通过体内实验，展示了MI-hydrogel在大鼠膝关节软骨缺损模型中的修复效果，包括宏观观察、组织学评估和微CT分析。

图5： 通过代谢组学分析，揭示了MI-hydrogel诱导的代谢重编程，特别是谷氨酰胺代谢和TCA循环的增强。

图6： 进一步验证了MI-hydrogel通过Piezo1-Ca2+-CaMKII-GLS1信号轴促进软骨修复的机制，并通过药理学抑制实验验证了该通路的关键作用。

总结与展望

作者成功设计了一种机械离子电子水凝胶（MI-hydrogel），通过模拟天然软骨的离子型生物电性，显著促进了软骨的修复和再生。MI-hydrogel在机械变形下能够产生离子型电场，激活离子通道蛋白Piezo1，从而促进干细胞的软骨生成分化，并通过代谢重编程增强谷氨酰胺代谢和三羧酸循环（TCA cycle），加速软骨再生。体外实验和体内动物模型均验证了MI-hydrogel的显著修复效果，展示了其在软骨再生领域的巨大潜力。该研究不仅为软骨修复提供了一种新的生物材料，还揭示了离子型电场和机械刺激协同作用的新机制，为组织再生领域提供了新的思路。未来的研究可以进一步优化MI-hydrogel的网络设计，提高其电输出性能，拓展其在其他组织再生中的应用。此外，通过临床前研究和临床试验，有望将这一创新技术转化为实际的治疗手段，为软骨损伤患者带来新的希望。

原文信息

L. Li, Z. Li, M. Yue,

et. al.

Adv. Mater.