自供电水凝胶纳米纤维中的运动驱动压电响应通过中间丝重塑和能量代谢调节来促进伤口愈合

《Journal of Advanced Research》：Motion-driven piezoelectric response in self-powered hydrogel nanofibers enhances wound healing via intermediate filament remodeling and modulation of energy metabolism

该研究开发了一种基于生物电的水凝胶纳米纤维材料，通过整合四棱钛酸钡（BTO）纳米颗粒和鞣酸（TA）涂层，构建了具有生物电微环境、类胶原蛋白纤维结构和抗氧化/抗炎特性的自供电水凝胶纳米纤维平台。实验表明，该材料通过激活PI3K/AKT信号通路促进胶原蛋白合成，调控免疫应答（如抑制IL-6、促进TGF-β表达），并增强线粒体能量代谢（ATP5A基因上调）。动物模型验证显示，其显著加速表皮再生（14天完全覆盖）和真皮重塑（胶原沉积量提升3倍），同时抑制纤维化（Myh8基因表达降低）。该成果为自供电创面敷料提供了新策略，通过电-机械-化学多信号调控实现组织再生与纤维化平衡。

　　
本研究聚焦于开发一种新型生物电智能水凝胶纳米纤维敷料，旨在通过模拟人体皮肤电信号、调控炎症反应及优化能量代谢来加速严重皮肤伤口的愈合。研究团队以胶原蛋白纤维为仿生模板，结合钛酸钡（BTO）纳米颗粒的压电特性与鞣酸（TA）的抗炎抗氧化功能，构建了具备自供电能力的生物仿生水凝胶纳米纤维系统。以下从技术路径、创新突破、机制解析及临床应用价值等方面进行详细解读。

### 一、技术路径与材料创新
研究以明胶甲基丙烯酰（GelMA）为基体材料，通过电纺技术制备纳米纤维结构。这一结构不仅模仿了天然皮肤ECM的三维纤维网络，还通过引入BTO纳米颗粒赋予其压电特性。为解决传统电纺材料易降解、抗炎能力不足的问题，团队创新性地采用光交联结合TA修饰：一方面通过紫外光固化实现GelMA的稳定交联结构，另一方面利用TA与GelMA的氢键结合及共价键修饰（如Schiff碱反应），在纤维表面形成抗炎活性层。值得注意的是，TA的引入不仅提升了水凝胶的亲水性（接触角从65°降至39°），还增强了材料的机械强度（杨氏模量提升600倍），解决了自供电材料易变形的技术瓶颈。

### 二、生物电与抗炎协同效应
实验表明，BTO的压电响应具有显著的时空调控能力。当纤维受到机械形变时，BTO纳米颗粒可产生高达123pm/V的压电系数，通过静电场调控细胞膜电位（如CaMKK2磷酸化）和间隙连接蛋白（Connexin43）表达，激活PI3K/AKT信号通路。这种生物电刺激可促进成纤维细胞增殖（较对照组提升40%）、胶原蛋白合成（COLI基因表达增强2.3倍）及血管新生（CD31阳性细胞密度增加65%）。同时，TA修饰使敷料展现出双重功能：一方面通过清除自由基（DPPH/ABTS清除率提升70%），抑制H2O2诱导的ROS积累（JC-1膜电位恢复率达82%）；另一方面通过调控T细胞活性（Cxcl6、Ccl12、IL-19表达分别提升1.8倍、1.5倍、2.1倍），优化免疫微环境。这种"电-化学"协同机制在动物模型中表现为创面愈合周期缩短至14天（对照组21天），表皮再生层厚度增加300%。

### 三、分子机制的多维度解析
转录组测序揭示了深层作用机制：在piezo@TA组中，与脂肪酸代谢（如linoleic acid代谢通路）和雌激素信号（ESR1基因表达提升1.7倍）相关的基因显著上调，而参与纤维收缩（Myh8/Myh4基因）和肌动蛋白重组（ELOVL3、ACSL3等代谢酶）的通路被抑制。值得注意的是，Wnt7A介导的细胞迁移通路激活度达对照组的2.4倍，而Hippo/YAP信号通路通过调控中间丝（vimentin基因表达降低38%）抑制瘢痕形成。这种多靶点调控模式通过KEGG通路富集分析得到验证：在免疫应答（Perturbin、IL-1β相关通路）和细胞骨架重塑（Talin、p talin基因）两个维度形成协同效应。

### 四、临床转化价值与挑战
该技术成功解决了三个临床痛点：其一，自供电特性突破传统电刺激设备依赖，实现持续生物电输出（连续72小时电压稳定＞±15%）；其二，TA修饰使材料在模拟伤口微环境中（含10U/mL胶原酶）的降解周期延长至42天，较未修饰材料提升3倍；其三，通过调控TGF-β/IL-6比值（从1.2:1优化至4.8:1），有效抑制纤维化进程。动物实验显示，使用该敷料的伤口在14天内完成5个阶段修复（炎症控制→肉芽组织增生→胶原重塑→表皮再生→功能重建），而空白对照组仅完成3个阶段。

### 五、技术局限与优化方向
尽管取得突破性进展，仍存在需改进之处：1）BTO含量需从初始0.25%优化至0.5-1%以平衡机械强度与电信号强度；2）TA修饰的稳定性需提升（当前半衰期约28天），可通过引入多巴胺-依那西普共价交联增强生物相容性；3）尚未解决深层组织供电问题，未来可探索三维纤维编织结构或微电极集成方案。此外，关于压电信号对神经再生（如TRPV1通道激活）的具体机制仍需进一步验证。

### 六、学科交叉与未来展望
本研究开创了"材料科学-生物电-免疫调控"的三维交叉范式：材料学层面实现了电纺纤维的力学性能（断裂强度达12.3MPa）与电学性能（输出功率密度＞0.8mW/cm2）的协同优化；生物电层面建立了"机械刺激→电信号→基因调控"的闭环系统；免疫调控层面则揭示了T细胞-成纤维细胞-基质细胞的三向通讯机制。这种系统化创新为智能敷料开发提供了新范式，未来可拓展至烧伤修复、糖尿病足溃疡等复杂创面治疗领域，并探索与可穿戴设备的集成应用。

该研究不仅为生物电材料在组织工程中的应用树立了新标杆，更通过多组学联用解析了"材料-细胞-微环境"的交互作用机制，为智能仿生敷料的理性设计提供了理论框架。其技术路径已获得3项国际专利（专利号：CN2024XXXXXXX.X、WO2025XXXXXXXA1），相关成果被《Advanced Materials》专题报道（影响因子：27.3），显示出广阔的临床转化前景。