钠藻酸盐压电水凝胶负载骨髓间充质干细胞外泌体促进跟腱断裂修复的研究 中文标题 基于钠藻酸盐压电水凝胶负载骨髓MSC来源细胞外囊泡的跟腱断裂修复系统开发及其再生机制研究

针对跟腱断裂修复中EVs需反复注射、缺乏持续电刺激及康复监测的难题，本研究创新性地将BMSCs来源EVs与压电水凝胶(SPH)结合构建SPH-EVs系统。该系统不仅能实现EVs的缓释和原位电刺激，还集成NFC模块实时监测康复训练强度，在大鼠模型中显著促进胶原有序排列、提高生物力学性能，为跟腱再生提供一体化解决方案。

　　

跟腱作为连接肌肉与骨骼的关键结缔组织，在人体运动功能中扮演着不可或缺的角色。然而跟腱断裂却是最常见的肌肉骨骼损伤之一，全球每年每10万人中就有5-50人受累。虽然手术缝合是目前的主流治疗方法，但术后仍面临高达1.7-5.6%的再断裂风险，且漫长的恢复过程往往导致患者过早承重，进一步增加康复风险。更棘手的是，跟腱组织缺乏血管的生理特性使得其恢复速度远慢于普通组织，如何加速跟腱修复并防止再断裂成为骨科领域的重大挑战。

近年来，间充质干细胞(MSCs)移植显示出巨大的治疗潜力，但其直接应用存在染色体变异和免疫排斥等风险。科学家们发现，MSCs的治疗效果主要源于其旁分泌作用——特别是细胞外囊泡(EVs)的功能。这些纳米级囊泡能够携带特定物质传递给受体细胞，且具有免疫原性低、无致瘤性等优势。然而单独使用EVs存在明显局限：它们在体内难以持续释放，需要多次注射维持有效浓度，这不仅增加患者痛苦，也提高了感染风险。

与此同时，电刺激疗法被证明在组织再生中具有独特价值。研究表明，腱细胞对电刺激非常敏感，电刺激能显著提高腱细胞增殖率并促进腱调蛋白表达。但传统电刺激设备存在便携性差、操作不便等问题。压电材料的出现为解决这一难题提供了新思路——它们能够将环境机械能转化为电荷，提供便捷的原位电刺激。然而现有压电材料普遍存在生物相容性不佳的问题。

为突破这些技术瓶颈，四川大学华西医院骨科研究所与电子科技大学材料与能源学院的研究团队开展跨学科合作，在《Journal of Nanobiotechnology》发表了创新性研究成果。他们巧妙地将压电材料与水凝胶特性结合，开发出钠藻酸盐压电水凝胶(SPH)，并进一步负载骨髓间充质干细胞来源的外泌体(EVs)，构建出多功能一体化的SPH-EVs系统。

研究人员采用多技术融合的研究策略：通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)分析材料化学组成和晶体行为；利用扫描电镜(SEM)观察材料形貌和EVs分布；采用流式细胞术评估细胞增殖和凋亡；通过低强度脉冲超声(LIPUS)模拟体内电刺激环境；建立大鼠跟腱断裂模型进行体内功能验证；结合mRNA测序技术深入探讨分子机制。这些实验样本来自四川大学华西医院动物医学中心提供的SD大鼠。

材料表征与性能研究

通过FTIR、XRD和DSC等分析技术证实，SPH成功将钠藻酸盐整合到压电弹性体基质中。随着SA含量增加，C=O峰强度降低而C-O、COO-峰强度增加，表明钠藻酸盐成功共混。SPH-50表现出最优性能：断裂伸长率达33.88%，远高于人类跟腱的8.8%；弹性模量为60.40MPa，高于传统水凝胶(2-20MPa)；吸水率高达300%，接触角测试显示其具有高亲水性。

压电特性与生物相容性

SPH-50在吸水后仍保持约50mV的压电输出，能满足电刺激治疗需求。体内外生物相容性实验表明，与PDMS组相比，SPH组细胞增殖率和凋亡率无显著差异，细胞存活率超过90%，且对细胞迁移能力和形态无负面影响。重要器官的HE染色显示无显著组织学结构差异，证实SPH具有优异的生物相容性。

功能行为与运动能力改善

大鼠跟腱断裂模型实验显示，SPH组跟腱恢复情况明显优于PDMS组。开放场地测试中，SPH组平均运动距离和时间显著改善；足迹分析表明SPH组步态恢复更快，运动协调性更好。SPH组平均右足支撑时间显著降低，表明功能恢复更佳。

组织学修复促进

生物力学分析表明，SPH组跟腱具有更大的破坏载荷和断裂伸长率。HE和Masson染色显示，SPH组胶原组织更有序，瘢痕和血管更少。免疫荧光显示SPH组COL1A1和Tnmd表达更高，COL3A1表达更低。改良Stoll评分显示SPH组得分更高。

EVs表征与SPH-EVs构建

从大鼠BMSCs中成功提取EVs，电镜显示其呈圆形或盘状形态，粒径主要分布在50-200nm之间，Western blot检测到CD9、CD63、Alix和TSG101等EVs标志物。利用SPH的高吸水性，将EVs溶液按1:1重量比浸泡吸收，成功构建SPH-EVs。释放实验表明SPH-EVs能实现EVs的缓慢释放。

SPH-EVs促进腱细胞恢复

通过添加IL-1β(10ng/ml)模拟跟腱断裂后的无菌炎症环境，并使用LIPUS刺激SPH/SPH-EVs产生电信号。实验表明SPH-EVs组细胞增殖率显著高于SPH组，凋亡率显著降低。细胞免疫荧光显示SPH-EVs组COL1A1/COL3A1比率显著更高，Tnmd表达也更高。

SPH-EVs的体内修复效果

SPH-EVs组在大鼠跟腱断裂模型中表现出更少的瘢痕组织，跟腱增厚和缩短问题明显改善。行为学实验显示SPH-EVs组运动功能恢复更好。生物力学测试表明SPH-EVs组跟腱具有更大的破坏载荷和断裂伸长率。组织学分析显示胶原排列更有序，改良Stoll评分更高。免疫荧光显示COL1A1和Tnmd表达更高，COL3A1表达更低。

分子机制探讨

mRNA测序结果显示，与PDMS组相比，SPH组和SPH-EVs组中COL1A1和COL3A1相关基因表达显著增加，COL2A1相关基因表达减少。基质金属蛋白酶(MMPs)相关基因中Mmp3表达减少，而Mmp9、Mmp13、Tnmd和Scx表达显著增加。基因本体(GO)富集分析从生物过程、细胞组分和分子功能角度揭示了差异表达mRNA可能介导的生物学过程。

本研究成功开发了一种创新的钠藻酸盐压电水凝胶系统SPH-EVs，有效解决了跟腱修复中的多个关键技术难题。该系统巧妙结合了压电材料的电刺激特性和水凝胶的药物缓释能力，同时整合NFC实时监测功能，实现了治疗与康复监控的一体化。实验证明SPH-EVs不仅能显著促进跟腱组织再生，改善胶原排列和生物力学性能，还能通过调节MMPs、Tnmd和Scx等关键基因表达优化修复微环境。这种多功能一体化策略为跟腱断裂及其他软组织损伤的治疗提供了新思路，具有重要的临床转化价值。