超声触发的模拟脊髓的电活性水凝胶可实现局部生物电调节，并通过JNK介导的自噬作用促进脊髓损伤修复

《Biomaterials》：Ultrasound-Triggered Spinal Cord-Mimetic Electroactive Hydrogel Enables Localized Bioelectrical Modulation and Promotes Spinal Cord Injury Repair through JNK-Mediated Autophagy

　　

摘要

脊髓损伤（SCI）会形成一个恶劣的微环境，严重限制神经再生和功能恢复。尽管生物电调制已成为修复SCI的有希望的策略，但现有的生物材料通常只提供被动导电或响应刺激的电能生成，很少能在适合脊髓修复的机械性能良好的支架中同时结合这两种特性。在这里，我们通过将导电的MXene纳米片整合到丝素纤维蛋白/单宁酸基质中，开发出一种可注射的、可远程激活的电活性水凝胶（SMT），这种水凝胶具有与组织相匹配的机械性能、连续的导电性以及响应刺激的电输出。在超声波激活下，SMT在损伤部位产生了局部的生物电信号。在细胞水平上，SMT表现出内在的抗氧化和抗炎作用，并且这些作用在超声波激活后得到了进一步增强；同时，SMT+US通过Ca²⁺依赖的JNK信号通路促进自噬过程。在脊髓损伤的大鼠模型中，这种超声波激活的水凝胶促进了神经组织的修复和髓鞘再形成，减少了反应性胶质增生，并改善了功能恢复。总的来说，这项研究提出了一种用于SCI修复的远程激活电活性水凝胶，并为SCI修复过程中的动态生物电调节提供了一种有前景的策略。

引言

脊髓损伤（SCI）是一种毁灭性的中枢神经系统疾病，通常会导致永久性的运动和感觉缺陷，其特征是高残疾率、恢复时间长以及治疗选择有限[1]、[2]。初次机械创伤后，损伤会发展成一个复杂的二级级联反应：急性离子失衡（Ca²⁺内流和K⁺外流）引发兴奋性毒性及线粒体功能障碍，而慢性阶段则表现为轴突脱髓鞘、空洞形成以及密集的胶质疤痕形成[3]、[4]、[5]。这些变化共同创建了一个不利于神经再生的恶劣损伤微环境[6]。至关重要的是，这些结构破坏切断了神经电信号的连续性，形成了一个“电生理沉默”的损伤核心，从根本上阻碍了再生[7]、[8]。因此，重建局部电生理稳态和跨越损伤部位的信号传导是有效神经修复的先决条件。

电刺激（ES）已被证实是一种强有力的治疗手段，可以决定细胞命运并促进组织重塑。除了简单地触发去极化外，ES还能调节炎症微环境，引导轴突路径寻找，并调节对稳态至关重要的细胞内信号通路，如自噬[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。最新证据进一步表明，电信号通过Ca²⁺流调节细胞内信号传导，从而激活自噬，进而促进神经元分化和轴突再生[14]。尽管有这些发现，但这一机制在SCI背景下的相关性和作用仍需进一步探索。对急性SCI患者的转录组分析显示自噬过程受到显著抑制，这意味着自噬失调可能在微环境失衡中起关键作用，并可能成为电干预的潜在靶点[15]。然而，ES的临床应用受到当前硬件的限制： tethered电极需要侵入性植入，存在感染风险，并且依赖与柔软脊髓组织机械性能不匹配的刚性材料，导致慢性炎症和设备失效[16]。因此，开发一种非侵入性、生物相容性良好且能适应宿主组织的电活性平台，并能够远程激活以提供局部电刺激，是推进SCI修复的一个有前途的方向。

压电材料能够将机械刺激转换为电信号，已成为无线生物电调节的一种有吸引力的策略。然而，传统的压电陶瓷（如钛酸钡）尽管具有高的机电耦合系数，但由于固有的脆性、高刚性和低导电性，限制了其与软神经组织的兼容性及其在神经修复中的应用[17]。相比之下，虽然传统的导电材料有助于电信号传输，但它们无法主动产生局部电信号。近年来，二维MXenes因其高导电性、亲水性和可调表面化学性质而成为有前景的电活性生物材料[18]、[19]。除了支持电信号传输外，MXenes还被证明可以促进神经突起生长、促进神经元分化，并调节电压门控的Ca²⁺通道以增强神经元电活动[20]。更重要的是，最近的研究显示Ti₃C₂T_x MXene具有压电响应特性，这与它的非对称晶格结构和表面功能化密切相关[21]、[22]、[23]。结合其优异的导电性，这种机械响应性的电行为使得Ti₃C₂T_x成为用于脊髓修复的电活性生物材料的有希望的材料平台。

基于这些材料特性，我们通过将丝素纤维蛋白（SF）、导电MXene和粘合性单宁酸（TA）整合到一个具有与组织相匹配的机械性能、连续导电性和响应刺激的电输出的注射型支架中，开发出一种可远程激活的电活性水凝胶平台（SMT）。由于受伤的脊髓缺乏足够的内源性机械刺激来激活电活性材料，因此使用超声波（US）作为一种非侵入性、可远程控制和可重复的外部触发器，按需产生局部生物电信号。通过互补的体外和体内模型，我们证明了这种电活性平台可以调节细胞行为，改善线粒体功能，并减轻氧化应激和炎症。细胞机制研究进一步表明，SMT+US通过Ca²⁺依赖的JNK信号通路促进自噬过程。体内实验表明，US激活的SMT促进了SCI后的神经组织修复、髓鞘再形成和功能恢复（见方案1）。总的来说，这项工作建立了一种用于脊髓修复的远程激活电活性水凝胶平台，并为SCI修复过程中的动态生物电调节提供了一种有前景的策略。

章节片段

SMT水凝胶的制备

单层Ti₃C₂T_x MXene纳米片是根据先前报道的湿法蚀刻和液相剥离程序制备的。丝素纤维蛋白溶液通过脱胶、溶解和透析纯化获得，对现有协议进行了少量修改。这些材料的详细制备程序和实验参数见支持信息。SF/MXene复合水凝胶是通过pH诱导的物理交联方法制备的

SMT水凝胶的制备和表征

为了制备具有优异电活性和粘附性的水凝胶用于神经修复，我们通过pH触发自组装策略制备了SF/MXene/TA复合水凝胶（SMT）。MXene纳米片是通过超声波剥离从Ti₃AlC₂ MAX前体中获得的。MXene的加入提高了凝胶的导电性，并赋予了其机械响应的电活性特性。如图S2A所示，MXene纳米片表现出典型的

讨论

SCI后局部电生理微环境的破坏是功能恢复的主要障碍，目前还没有临床有效的策略能够精确地恢复损伤区域的电生理活性[2]。电信号在轴突生长、神经元兴奋性和运动功能恢复中起着关键的调节作用，这强调了重建生理相关的电传输的重要性

结论

本研究开发了一种具有模拟脊髓特性的US激活电活性水凝胶，用于SCI修复。通过在可注射基质中结合连续的导电性和响应刺激的电输出，该水凝胶能够实现对受伤脊髓微环境的非侵入性和局部生物电调节。从机制上讲，所产生的生物电信号与通过调节线粒体实现的细胞稳态恢复相关

CRediT作者贡献声明

张柳阳：研究。张祖豪：方法学，研究。赵永辉：方法学。赵艳芝：方法学。张英刚：撰写——审稿与编辑，项目管理。赵松川：正式分析。雷波：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。苏晓晨：撰写——初稿，方法学，研究，正式分析，数据管理。田静：研究，正式分析

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

利益冲突声明

作者声明这项工作不存在利益冲突。

致谢

这项工作得到了中央高校基本科研业务费（编号：xzy022025073）和陕西省自然科学基础研究计划（编号：2026JC-YBQN-0999）的支持。财务支持对本研究的结果没有影响。

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