《BM》一种基于细胞运动性的选择性水凝胶能够快速生成修复神经的血凝块！

神经修复是治疗神经系统疾病患者的一项重要临床需求。研究人员持续探索创新疗法，通过向神经系统注入具有再生潜力的细胞、神经营养因子和基因对抗神经退行性疾病、缺血性病变及创伤性损伤。血凝块来源于血液，具有止血功能，富含血小板及促进组织再生的生长因子。含有营养物质的血凝块可促进多种组织修复，但由于存在红细胞相关的神经毒性风险，其在神经修复中的应用受到限制。基于此，四川大学华西医院苟马玲等开发一种基于细胞运动性的选择性水凝胶，可快速生成具有神经修复功能的血凝块，且对红细胞毒性可忽略不计。这种源自明胶且具有纳米胶体结构的水凝胶，通过其纳米结构内差异化的细胞运动性促进神经干细胞（NSCs）的迁移，同时阻隔红细胞通过。在快速形成血栓后，含有血液来源生长因子的水凝胶促进内源性NSCs的募集。水凝胶中的纳米胶体结构促进了神经干细胞（NSCs）的迁移与分化，从而修复神经组织。水凝胶中的纳米胶体结构促进NSCs的迁移与分化，从而修复神经组织。在大鼠和猪模型中，该水凝胶能够诱导快速止血并在体内促进神经修复，从而改善神经功能。本研究为利用基于细胞运动性的选择性水凝胶生成神经修复性血栓提供概念验证，为未来的神经修复方法提供灵感。

相关研究内容以“A cell motility-based selective hydrogel enables rapid generation of nerve-repairing blood clots”为题于2026年5月15日发表在《Bioactive Materials》。

图1 细胞运动性选择性水凝胶用于快速生成神经修复性血凝块

本研究展示一种基于细胞运动性的选择性水凝胶，该水凝胶具有纳米胶体结构，通过利用红细胞（RBCs）与NSCs之间的运动性差异实现细胞选择性（图1）。通过在浅层阻滞红细胞，并促进NSCs向内部迁移并分化为神经细胞，这种基于细胞运动性的选择性水凝胶能够快速形成具有神经修复功能的血栓，并实现后续的神经组织再生。

图2 Nano-gelatin的制备与表征

为开发一种用于止血及后续神经修复的生物材料，本研究通过明胶甲基丙烯酰酯（GelMA）与Pluronics F68（简称F68）的自组装及后续冷冻干燥工艺，设计一种纳米结构明胶（nano-gelatin）冷冻凝胶（图2A）。采用GelMA冷冻凝胶、多孔GelMA冷冻凝胶以及明胶海绵（神经外科常用材料）作为对照组（图2B）。通过扫描电子显微镜（SEM）对微观结构进行表征：nano-gelatin呈现出独特的纳米结构网络，其微纳级孔隙相互连通，与GelMA及多孔GelMA的结构存在显著差异（图2C、D）。随后对冻干状态下的材料进行表征。本研究中，nano-gelatin冷冻凝胶表现出最佳的亲水性和开放孔隙率，有利于实现快速血液吸附（图2E-G）。此外，nano-gelatin冷冻凝胶的负表面电位有助于吸附凝血因子，从而促进有效血凝块的形成（图2H）。经测试发现nano-gelatin的溶胀率显著低于其他材料（图2I），从而减轻脑组织受压及植入后的损伤。流变学测试表明，nano-gelatin的储能模量（G′）为301–483 Pa，损耗模量（G″）为26–65 Pa，弹性模量为369 ± 57 Pa（图2J-L）。以上结果表明，nano-gelatin可作为支架填充于手术创面，以促进止血后的神经修复。

图3 基于细胞运动性的nano-gelatin选择性能力

Nano-gelatin水凝胶的纳米胶体结构使其能够根据细胞的运动能力进行选择性筛选（图3A）。为探究nano-gelatin基于细胞运动性的选择性能力，对三种类型的细胞进行实验。首先是其对RBCs的阻滞效应。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，红细胞被动地滞留于nano-gelatin表面（图3B）。细胞迁移实验表明，细胞能够从表面浸润并迁移至nano-gelatin水凝胶内部。相比之下，在GelMA水凝胶内部仅观察到可忽略不计数量的细胞（图3C）。延时成像显示，nano-gelatin水凝胶内的细胞能够动态迁移，同时伴随水凝胶纳米结构的形变（图3D），表明nano-gelatin水凝胶具有良好的细胞适应性。接下来检测在nano-gelatin水凝胶中NSCs的迁移情况：细胞迁移实验表明，NSCs能有效从nano-gelatin表面向内部迁移（图3E）；而延时成像技术则显示，它们在nano-gelatin水凝胶内表现出显著的突起运动活性（图3F）。为阐明细胞运动性是否驱动选择性浸润，使用肌动蛋白细胞骨架抑制剂细胞松弛素B（CB，2μg/mL）对NSCs进行预处理。随着时间的推移，未经处理的NSCs主动深入渗透至nano-gelatin内部，在8小时后达到91.15 ± 4.44 μm的渗透深度。相比之下，经CB处理但运动能力缺陷的NSCs仍局限于表面（渗透深度为8.48 ± 3.20 μm），这一行为与无运动能力的RBCs相当（渗透深度为5.09 ± 1.07 μm）（图3G–H）。Nano-gelatin水凝胶孔径分布定量分析结果显示：nano-gelatin孔隙的直径为0.94μm，在缺乏主动运动能力的情况下，细胞浸润仅限于表面（图3I）。以上结果表明nano-gelatin能选择性阻滞浅层中的红细胞，同时允许NSCs等细胞迁移至其内部，表明该材料具有降低红细胞相关毒性并支持后续神经修复功能的潜力。

图4 Nano-gelatin的止血性能

为评估体外凝血性能，通过测定凝血后上清液中的血红素含量进行血液凝固指数（BCI）检测（图4A）。与其他冷冻凝胶相比，nano-gelatin冷冻凝胶在0~5分钟期间表现出更低的BCI值（图4B），表明该nano-gelatin冷冻凝胶能够促进血液凝固。在大鼠肝脏及上矢状窦出血模型中研究nano-gelatin冷冻凝胶的体内止血能力（图4C）。与对照组相比，nano-gelatin冷冻凝胶组的失血量显著减少（图4D–E）。接着采用猪模型验证nano-gelatin冷冻凝胶的止血效果。在肝损伤止血实验中，nano-gelatin组的失血量显著低于明胶海绵组（图4F-H），表明其具有优异的体内止血效果。更重要的是，nano-gelatin冷冻凝胶在神经外科手术中表现出卓越的止血性能。其在1分钟内实现100%的止血率，显著高于明胶海绵组（图4I-K）。以上研究结果表明，nano-gelatin冷冻凝胶在体外和体内均具有卓越的止血能力。

图5 Nano-gelatin的止血模式与机制

Nano-gelatin形成独特的浅层止血模式（图5A）。明胶海绵在血液吸收后会形成全层血凝块，而GelMA及多孔GelMA冷冻凝胶仅形成表层血凝块（图5B）。为研究nano-gelatin对凝血过程中关键组分的影响，采用SEM观察材料表面血细胞及纤维蛋白的形态（图5C）。观察到nano-gelatin冷冻凝胶表面存在大量血细胞及丰富的纤维蛋白，表明其具有显著的主动止血作用。

图6 Nano-gelatin通过阻断RBCs减轻神经损伤

为研究nano-gelatin在止血和神经修复中的作用，建立手术性脑损伤（SBI）的大鼠模型。取出植入不同冷冻凝胶的大脑组织后，宏观图像显示，与对照组相比，nano-gelatin组的血液滞留量极少（图6A）。HE染色显示nano-gelatin组呈现浅表性止血模式，其特征为红细胞聚集主要发生在表层冷冻凝胶基质内。相比之下，多孔GelMA组和明胶组则表现出显著的红细胞向损伤部位浸润（图6B、C）。随着时间推移，脑组织中浸润的红细胞代谢产生含铁血黄素——一种神经毒性物质。组织学切片显示，nano-gelatin组的含铁血黄素沉积量显著少于对照组（图6D、E）。为进一步验证nano-gelatin对神经毒性的缓解作用，首先在植入后第3天进行全脑MRI扫描。与对照组相比，nano-gelatin组的脑水肿程度极轻微（图6F）。在术后第7天采用 TUNEL 检测法和CD68免疫荧光染色法评估细胞凋亡和炎症水平。与对照组相比，nano-gelatin组表现出最低的细胞凋亡水平和最轻微的炎症细胞浸润（图6G-I）。以上研究结果表明，nano-gelatin可将红细胞限制在其表层，减少红细胞向脑组织的浸润及随之产生的含铁血黄素沉积，并减轻神经组织损伤。

图7 Nano-gelatin对NSCs的作用及机制

止血后，nano-gelatin形成具有神经修复功能的血凝块。其表层含有少量红细胞（RBC），而深层则富含源自血液的生物活性成分（图7A）。SEM观察显示nano-gelatin内部存在明显的血清浸润现象，通过检测血清主要成分白蛋白（ALB）进一步证实（图7B、C）。带负电荷的nano-gelatin能有效吸附神经生长因子（NGF）和基质细胞衍生因子-1（SDF-1），有助于NSCs的募集与存活（图7D、E）。进一步通过Transwell迁移实验验证nano-gelatin对NSCs的募集作用。nano-gelatin组中迁移的NSCs数量相比，明显多于Ge lMA组、多孔GelMA组和明胶海绵组（图7F、G）。活/死细胞检测和CCK-8实验表明，NSCs存活状况良好且呈现铺展形态，而明胶海绵未能支持NSCs的黏附（图7H、I）。Nano-gelatin水凝胶中桩蛋白、黏着斑蛋白和F-actin的表达区域均有所增加，表明该纳米结构可增强细胞与基质的相互作用并促进细胞迁移（图7J）。免疫荧光结果显示，nano-gelatin组的NSCs主要分化为神经元，而对照组的NSCs则主要分化为星形胶质细胞（图7K）。为进一步探究nano-gelatin影响NSCs的潜在机制，从在nano-gelatin上培养7天的NSCs中提取RNA，并进行全转录组测序分析。与常规条件下培养的NSCs进行比较。如火山图所示，与对照组相比，nano-gelatin组表现出2161个上调基因和2035个下调基因（图7L）。GO富集分析显示，nano-gelatin组与对照组之间的差异表达基因（DEGs）在“细胞分裂”和“细胞迁移的正向调控”功能类别中显著富集（图7M）。KEGG 富集分析表明，DEGs主要富集于“黏着斑”、“细胞外基质-受体相互作用”和“MAPK”等信号通路（图7N）。随后对参与“黏着斑”通路的差DEGs进行分析（图7O）。基于上述结果，提出假设：nano-gelatin通过其纳米胶体结构，经由黏着斑通路增强NSCs的运动能力；同时通过MAPK信号通路促进其神经元分化（图7P）。以上研究结果表明，nano-gelatin水凝胶为NSC的募集、迁移和分化提供有利的微环境，从而有助于神经修复。

图8 28天内的神经功能评估与神经修复

图9 血凝块与神经组织界面的演变

首先评估SBI模型大鼠在材料植入后28天内的神经功能恢复情况。采用Garcia评分、错误步数百分比及平衡木测试作为综合评估方法评价功能恢复情况（图8A）。术后第一天，nano-gelatin组的Garcia评分和平衡木评分均低于正常大鼠组，且失足发生率更高。随着时间推移，nano-gelatin组大鼠的神经功能逐渐恢复。至第28天，nano-gelatin组的Garcia评分恢复至18.0 ± 0.8；平衡木评分改善至4.4 ± 0.7，错误步态率降至10.6% ± 6.0%，与其他对照组相比均显示出显著差异（图8B）。为评估28天的脑损伤愈合情况，7T MRI显示nano-gelatin组的病灶腔面积较对照组更小（图8C、D）。损伤区域神经丝蛋白（NF200）与髓鞘碱性蛋白（MBP）的双重荧光染色结果反映新生神经纤维的形成及其髓鞘化过程。数据显示，与对照组相比，nano-gelatin组的NF200和 MBP 表达水平显著升高（图8E-G）。

Nano-gelatin水凝胶在降解过程中毒性较低，从而在材料-组织界面为神经修复创造空间（图9A、G）。对第7天至第28天病变部位经HE染色的脑切片进行组织病理学分析，结果显示血栓逐渐溶解及nano-gelatin降解的迹象更为明显（图9B、H）。随后进一步研究材料-组织界面处的神经修复过程。术后第7天采用Nestin和Doublecortin（DCX）免疫荧光染色法评估早期神经修复情况。nano-gelatin组的Nestin表达水平显著高于其他各组，表明内源性NSC募集增强（图9C、E）。DCX免疫荧光检测显示nano-gelatin组的表达水平最高（图9D、F）。NeuN阳性染色表明成熟神经元已形成，且nano-gelatin组的NeuN表达水平高于对照组（图9I、K）。此外，GFAP染色显示损伤部位存在胶质瘢痕形成，这种瘢痕不利于神经修复。结果表明，nano-gelatin组的胶质瘢痕形成程度低于明胶海绵组（图9J、L）。综上研究结果表明，nano-gelatin及其产生的血凝块会随时间推移逐渐降解，并在材料-组织界面促进神经修复。

全文小结

综上所述，本研究设计一种基于细胞运动性的纳米结构选择性水凝胶，并将其冻干制成冷冻凝胶，用于神经外科止血及后续神经修复。凭借其纳米胶体结构，该水凝胶能在表层阻滞红细胞，形成神经毒性较低的血凝块；同时还能招募内源性NSCs迁移至水凝胶中，并分化为神经细胞。该水凝胶有效诱导快速止血，并在体内促进神经修复，从而显著改善神经功能。这种基于细胞运动性的选择性水凝胶具有外科应用潜力，并将为未来生物材料的研发提供灵感。