超声刺激下多功能压电水凝胶：软骨修复的创新之选

关节软骨损伤修复困难，严重影响患者生活质量。研究人员针对此，开展压电水凝胶（Hyd6）经超声（US）刺激促进软骨再生的研究。结果表明 Hyd6联合 US 可显著促进软骨再生，为软骨损伤治疗提供新策略。

　　在人体的关节中，软骨就像一层 “减震垫”，保护着骨头免受过度磨损，让关节活动自如。然而，当软骨受伤时，问题就接踵而至。由于软骨自身缺乏未分化的干细胞，受伤后自我修复能力极其有限，这使得软骨损伤成为临床上面临的一大难题。当前的治疗手段，无论是手术干预还是药物治疗，都难以实现软骨功能的完全恢复，无法从根本上解决问题。因此，寻找一种有效的软骨修复方法迫在眉睫。

为了解决这一困境，东南大学的研究人员开展了一项关于多功能压电水凝胶（Hyd₆）在超声（US）刺激下促进软骨再生的研究。该研究成果发表在《Bioactive Materials》上，为软骨损伤的治疗带来了新的希望。

研究人员采用了多种关键技术方法。在材料制备方面，通过物理混合与化学交联的方式合成了 KNN-Hyd 可注射压电水凝胶。利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X 射线衍射仪（XRD）等技术对水凝胶及相关纳米颗粒进行表征，以探究其微观结构和晶体相。运用流变仪评估水凝胶的流变特性、注射性、自愈合能力等。通过细胞实验，如细胞培养、细胞增殖检测、免疫荧光染色等，研究水凝胶对细胞行为的影响。还建立动物模型，进行体内实验，借助 MRI、组织学染色等手段评估软骨再生情况。

研究结果如下：

1. 水凝胶的制备与特性：成功制备出 KNN-Hyd 压电水凝胶，其内部含有不规则立方形状的 KNN 纳米颗粒，具有不规则多孔结构。XRD 和 FTIR 分析证实了其晶体结构和化学组成。该水凝胶的储存模量（G'）和溶胀率等性能受 KNN 纳米颗粒含量影响，Hyd₆具有适宜的交联网络密度，溶胀率稳定，为后续研究奠定基础。
2. 多功能特性评估：Hyd₆表现出良好的注射性和快速凝胶化能力，能在 2 分钟内固化形成稳定结构。具有出色的自愈合能力，多次循环后性能稳定。其粘附力强，与多种物质有良好的生物粘附性。同时，Hyd₆具有显著的压电特性，在超声刺激下能产生较高的电压和电流输出，且在体内也能维持一定的电输出性能。此外，该水凝胶还具有良好的生物降解性和生物相容性，对细胞活性无明显不良影响。
3. 体外实验：在超声刺激下，Hyd₆能显著促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）和滑膜间充质干细胞（SMSCs）的迁移，增加细胞内 Ca²⁺浓度。通过对相关基因和蛋白的检测发现，Hyd₆联合超声处理可显著上调软骨形成相关基因（COL2A1、ACAN、SOX9）的表达，促进干细胞向软骨细胞分化，同时抑制炎症因子（IL-6）和软骨基质降解因子（MMP-13）的表达。对巨噬细胞的研究表明，Hyd₆联合超声可促进巨噬细胞向抗炎的 M2 表型极化，抑制炎症反应，为软骨再生创造有利的微环境。
4. 体内实验：在兔膝关节软骨缺损模型中，Hyd₆联合超声治疗组在宏观观察、MRI 评估、组织学染色和力学性能分析等方面均表现出更好的软骨再生效果。再生的软骨组织与周围正常软骨整合良好，II 型胶原蛋白（COL2A1）表达丰富，组织结构和力学性能更接近正常软骨。同时，该治疗方式能有效调节体内巨噬细胞的极化，降低炎症因子表达，促进软骨组织的修复和再生。

研究结论与讨论部分指出，Hyd₆这种由聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酸（PAA）、壳聚糖（CS）和 KNN 纳米颗粒组成的压电水凝胶，在超声刺激下展现出多种优良特性，能够协同促进干细胞的软骨向分化，实现高效的软骨再生。其作用机制主要是通过超声激活产生的电信号促进 Ca²⁺内流，进而激活下游 CaM/CaN/NFATc1 信号通路，加速软骨形成。这项研究为软骨损伤的治疗提供了一种全新的、自我驱动且无创的有效策略，在组织工程和再生医学领域具有重要的应用潜力，有望改善患者的治疗效果和生活质量。