生物能量活性水凝胶通过调控能量代谢促进细胞外基质合成实现软骨修复

为解决软骨修复中能量代谢不足导致的细胞外基质(ECM)合成障碍问题，华中科技大学团队开发了一种可注射光交联生物能量活性水凝胶(BAH)。该材料通过提升线粒体膜电位(ΔΨm)和ATP产量，将软骨细胞能量代谢水平提升至189%（ACAN基因）和138%（Col2α1基因），并在兔软骨缺损模型中使ACAN和II型胶原产量分别达到胶原水凝胶(ColH)组的356%和205%。研究为关节软骨损伤提供了新型代谢调控治疗策略。

　　

关节软骨损伤是临床常见难题，由于组织无血管特性和低细胞密度，其自我修复能力极其有限。传统治疗方法如微骨折手术和自体软骨移植存在纤维软骨异常增生、再生软骨稳态维持困难等瓶颈。更棘手的是，损伤部位软骨细胞常出现线粒体结构破坏、膜电位(ΔΨ_m)下降、ATP产量降低等能量代谢紊乱，导致细胞外基质(ECM)合成不足。虽然临床已应用I型胶原水凝胶(ColH)，但其存在凝胶时间长、机械强度差、降解快等问题，且无法解决能量代谢障碍这一核心问题。

针对这一挑战，华中科技大学生物医学工程学院的研究团队在《Bioactive Materials》发表创新成果，开发出具有原位光交联能力的生物能量活性水凝胶(BAH)。该材料通过调控细胞能量代谢，显著促进软骨ECM合成，在动物实验中展现出优于临床常用胶原水凝胶的修复效果。

研究采用四大关键技术：1）通过核磁共振(¹H NMR)和傅里叶红外光谱(FTIR)表征材料化学结构；2）利用流变学和力学测试评估水凝胶性能；3）建立H₂O₂诱导的氧化应激软骨细胞模型；4）采用兔全层软骨缺损模型进行为期12周的体内评价。

【材料制备与表征】

通过缩聚反应合成的BAH前聚体经紫外光交联后形成具有互连大孔结构的水凝胶。力学测试显示其压缩强度达300kPa，拉伸应变20.4%，流变学证实其储能模量(G′)显著高于ColH。体外降解实验表明，BAH在胶原酶环境中可维持18.9%重量至28天，远优于ColH的快速降解特性。

【ECM合成促进机制】

蛋白质组学分析发现BAH组195个差异表达蛋白显著上调，KEGG富集显示这些蛋白参与氧化磷酸化、TCA循环等能量代谢通路。qRT-PCR证实BAH使软骨细胞的ACAN和Col2α1基因表达分别提升至ColH组的189%和138%，同时抑制MMP13表达。3D培养的软骨微组织显示，BAH组形成更致密的ECM结构，阿尔新蓝染色强度显著增加。

【能量代谢调控】

JC-1染色显示BAH使线粒体膜电位提升2.1倍，ATP产量提高3.5倍。在500μM H₂O₂诱导的氧化应激模型中，BAH使ROS水平降低59%，并恢复断裂的线粒体网状结构。机制研究发现BAH降解产物琥珀酸通过促进LYRM2/NDUFAB1复合体形成，优化电子传递链效率。

【体内修复效果】

兔软骨缺损模型显示，BAH组12周时新生软骨厚度接近正常组织，ICRS评分显著优于ColH组。Micro-CT显示BAH组的骨体积分数(BV/TV)是ColH组的1.28倍。免疫组化证实BAH组的II型胶原和ACAN蛋白表达分别达ColH组的205%和356%，同时MMP13表达降低62%。

这项研究开创性地将能量代谢调控策略应用于软骨修复材料设计。BAH通过持续供应琥珀酸促进ATP合成，解决了软骨修复中能量供应不足的核心问题。其优于临床ColH的修复效果主要体现在三方面：1）形成更接近透明软骨的ECM组成；2）显著提升新生组织的力学性能；3）有效抵抗氧化应激导致的软骨退化。该研究为开发代谢调控型组织工程材料提供了新范式，对关节炎等退行性软骨疾病的治疗具有重要转化价值。