可注射自增强压电水凝胶用于不规则骨缺损再生：动态表观遗传调控策略

《Advanced Science》：An Injectable and Self-Reinforced Piezoelectric Hydrogel for Irregular Bone Defects Regeneration: Dynamic Epigenetic Regulation Approach

不规则骨缺损要求生物材料既能进入复杂形状部位，又能在修复过程中逐渐获得力学强度与生物活性电刺激，这两类性质很少被同时实现。研究人员开发了一种可注射、聚合物诱导自强化和压电的水凝胶，由再生丝素蛋白（regenerated silk fibroin，RSF）、酪胺改性羧甲基纤维素（tyramine-modified carboxymethyl cellulose，T-CMC）和MXene-纤维素纳米纤维（cellulose nanofiber，CNF）纳米片通过酶促动态交联构建，用于克服当前可注射水凝胶机械成熟不足与压电输出不稳定的局限。动态双网络结构发生渐进β-折叠排列与纳米界面有序化，使压缩模量从约0.08 MPa升至约0.8 MPa，压电输出从3 mV升至60 mV（5天内），在缺损区建立力学稳定且电活跃的微环境。水凝胶来源的电信号诱导Ca2+内流并激活CaMKII/CREB/P300轴，增强H3K9乙酰化并重启成骨转录，PTH1R作为关键下游效应分子。该水凝胶在体外促进成骨分化、矿化和血管生成，在临界尺寸缺损大鼠模型中加速新骨形成并恢复小梁结构，可作为表观遗传激活剂重编程成骨微环境，为不规则骨缺损修复提供新策略。

研究背景方面，创伤、感染或肿瘤切除导致的骨缺损临床常见，自体骨移植虽为金标准，但供区并发症、移植物数量有限和手术风险推动替代生物材料发展。传统可注射水凝胶能适应不规则形状，但缺乏承重强度，常需光交联或化学增强等外源触发，过程复杂且临床适用性受限。骨本身具有压电性，胶原和羟基磷灰石可将机械刺激转为电信号调节成骨；外源电刺激因侵入性、感染风险和外部设备依赖难以临床应用。现有压电材料多为无机陶瓷或杂化体系，存在刚性强、可注射性差、降解差、颗粒聚集和湿态输出不稳定等问题。天然聚合物中RSF具可注射和温和凝胶优势，但力学不足；CMC可提升软水凝胶流变稳定性；MXene具高导电、亲水和丰富表面端基，适合构建电活跃可注射体系。表观遗传层面，H3K9ac等组蛋白乙酰化可响应生物物理输入，但干细胞如何感知生物材料直接产生的压电信号仍不清楚。因此研究人员构建RSF、T-CMC与MXene-CNF复合水凝胶，将机械自强化、机电转换与表观遗传调控联系起来。该论文发表于《Advanced Science》。

主要关键技术方法方面，研究人员以Ti₃AlC₂经HCl/LiF刻蚀与Li⁺插层剥离制备Ti₃C₂T_x MXene，并与CNF通过氢键形成MXene-CNF；以EDC/NHS偶联制备T-CMC；以RSF、MXene-CNF、T-CMC经HRP/H₂O₂酶促酚类交联并37℃温育实现自强化。体内采用大鼠股骨临界尺寸缺损模型，并以猪股骨不规则缺损和离体猪骨缺损验证填充与植入后机电活性；细胞实验以BMSCs和HUVECs为对象，利用环压激活水凝胶产生压电输出而非直接压缩细胞。

研究结果方面，2.1 CNF改性MXene及其电活性表征：通过FTIR、XPS、SEM、TEM、EDS、介电测试和PFM证明CNF与MXene表面端基形成氢键界面，提高亲水性、界面极化和介电性能，MXene-CNF较MXene具更强压电响应。

2.2 酶促交联诱导结构演化与自强化机制：通过¹H NMR、流变、凝胶时间、SEM、Cryo-SEM、FTIR、XRD、酰胺III去卷积和压缩测试证明，T-CMC浓度增加缩短凝胶时间，MXene-CNF提供氢键桥接与排列模板，RSF由无规卷曲转为β-折叠并结晶化，0.4% MC@TCR压缩模量由约0.08 MPa升至约0.85 MPa，体内外均表现自强化。

2.3 水凝胶有效压电性能与生物电相关性：在0.1 MPa循环压缩下，TCR仅约10 mV，MC@TCR呈浓度依赖增强；0.4% MC@TCR具最高介电常数、g₃₃为22.6 mV·m/N和低介电损耗；输出电压由第0天3 mV升至第7天60 mV，连续压缩100 s稳定，压力0.06至0.15 MPa近似线性响应，PFM显示强振幅与近180°相移，说明有效压电来自界面介导机电耦合而非单纯MXene本征压电。

2.4 生物相容性与压电刺激诱导细胞活化：CCK-8、Live/Dead、Ki67和溶血实验表明0.4% MXene-CNF生物相容性最佳；压电刺激4次/分最利BMSC增殖，0.4% MC@TCR/Com组BMSCs与HUVECs增殖最强，溶血率远低于5%，具血液相容性。

2.5 BMSCs压电刺激下成骨分化反应：ALP、ARS、Western blot、qRT-PCR和免疫荧光显示，0.4% MC@TCR/Com组OPN、RUNX2、OCN、COL1及ALPL等基因和蛋白显著上调，早期成骨与基质矿化最强。

2.6 对BMSC迁移与HUVEC血管生成影响：划痕、Transwell和管形成实验显示压电刺激加快BMSC招募与HUVEC迁移，上调CD31、vWF、VEGF，形成更多毛细血管样网络，建立促再生微环境。

2.7 压电刺激激活钙信号驱动成骨机械转导：RNA-seq、GO、GSEA、Fluo-4 AM和Western blot表明压电 cue 富集钙信号与成骨通路，细胞内Ca²⁺升高，p-CaMKII与p-CREB上升，BAPTA可抑制。

2.8 压电水凝胶经钙内流介导组蛋白乙酰化促骨形成：ALP、ARS、H3K9ac免疫荧光与Western blot证明Ca²⁺螯合削弱成骨；压电刺激上调P300与H3K9ac，并呈0至48 h动态变化，24 h附近最高。

2.9 P300介导H3K9乙酰化是压电钙信号下游效应器：C646抑制P300后，即便存在压电刺激，H3K9ac与RUNX2、OPN、OCN均下降，说明P300是机械电信号转写为成骨程序的表观开关。

2.10 表观组学鉴定PTH1R为H3K9ac下游效应分子：CUT&Tag与RNA-seq整合显示H3K9ac全局增加且靶向富集，PTH1R启动子乙酰化与转录同步升高；P300抑制降低PTH1R，PTH1R阻断削弱成骨蛋白、ALP与矿化。

2.11 大鼠股骨缺损中促骨再生：Micro-CT显示0.4% MC@TCR在6和12周BMD、BV/TV、Tb.Th、Tb.N显著优于对照组，钙黄绿素与茜素红双标显示骨形成率更高。

2.12 组织学评估：H&E、TB、VG、Masson及IHC显示新骨、胶原与小梁结构成熟；体内H3K9ac、PTH1R、Collagen I、OCN升高；主要脏器无损伤，血清指标正常，离体猪骨缺损可记录到可重复电压信号。

讨论部分总结，研究人员指出该体系把可注射填充、时间依赖自强化、界面介导压电输出和Ca²⁺-CaMKII/CREB/P300-H3K9ac-PTH1R轴整合到同一材料平台，既解决可注射水凝胶力学成熟不足，也把压电刺激落到表观遗传重编程层面，区别于传统外源电刺激和刚性压电陶瓷。体内外证据一致支持其促血管生成、促迁移、促矿化和恢复小梁架构的能力，且低含量MXene-CNF被聚合物网络稳定包埋，降低突发释放风险，系统安全性良好。

结论部分翻译如下：本研究研究人员开发了一种可注射、自强化压电水凝胶，由RSF、MXene-CNF和T-CMC组成，用于不规则股骨缺损骨再生，其通过渐进分子重排提高β-折叠结晶度与压电输出，提供力学稳定与持续生物电刺激。压电信号触发Ca²⁺内流并激活CaMKII/CREB/P300轴，提升H3K9乙酰化并增强成骨基因表达，PTH1R作为连接电信号与表观遗传调控的关键介质。在大鼠股骨缺损模型中，0.4% MC@TCR水凝胶显著加速骨再生，改善骨密度、小梁形成、胶原积累以及H3K9ac和PTH1R水平。总体而言，该自强化压电支架不仅填充缺损，还通过钙依赖表观遗传控制重编程成骨微环境，为复杂长骨重建提供较强转化前景。