一种能量增强型水凝胶耦合磁电刺激与代谢支持以促进脊髓再生

《Biomaterials》：An Energy-boosting Hydrogel Couples Magnetoelectrical Stimulation and Metabolic Support for Enhanced Spinal Cord Regeneration

　　

摘要

脊髓损伤（SCI）同时破坏了神经和血管网络，导致生物电和生化学能的双重缺陷，严重阻碍神经再生。为应对这一挑战，我们开发了一种能源增强水凝胶，将生物安全的电刺激与缓释生化学能系统相结合，从而缓解能量缺陷以促进神经修复。我们合成了可降解的铌酸钾钠/铁氧体（KNN/FO）纳米颗粒，以实现原位磁电转换，并确认了其在体外通过电刺激促进再生的功效。转录组和代谢组学分析进一步阐明了生物电和生化学能通路之间的协同机制。基于这些发现，我们制备了磷酸肌酸接枝壳聚糖（PCr-C）以实现生化学能的持续释放，并将其与KNN/FO纳米颗粒整合为一种3D可打印的明胶基复合水凝胶（PCr-CGNP）。在大鼠SCI模型中，PCr-CGNP成功实现了磁场下的双能递送，并显著促进了神经再生。本研究阐明了生物电和生化学能在SCI后神经再生中的关键作用，并建立了一种新型水凝胶基双能协同递送策略，为脊髓修复提供了理论和治疗基础。

引言

脊髓损伤（SCI）破坏了中枢神经系统内的上行和下行连接，导致高致残率[1]。由于成熟神经元的内在再生能力有限，且SCI后存在抑制性的病理微环境，神经功能的恢复面临巨大挑战[2]、[3]。尽管手术和药物干预已取得一定进展，但仍缺乏有效的促进神经元再生的方法[4]。SCI后，神经和血管网络的双重损伤使存活神经元同时丧失了再生所需的生物电和生化学能[5]、[6]。生物电能由细胞间电信号产生，在维持正常神经元功能中起着关键作用；其缺失会阻碍内源性再生机制的激活[7]。同时，血管网络缺陷引发的缺血缺氧状态耗竭了生化学能储备，从而进一步抑制内源性修复过程[8]。因此，恢复生物电和生化学能供应的微环境支持已成为促进SCI后修复的潜在途径。

内源性生物电能来源于细胞间电信号，对神经发育、导向和再生至关重要[7]。外源性电刺激（ES）可以模拟这些内源性信号来促进轴突再生，其机制包括激活电压门控钙离子通道和上调神经生长因子如脑源性神经营养因子（BDNF）[9]。临床上，ES目前主要依赖植入式电极，然而长期异物存留会带来接触损伤和慢性炎症等风险[10]、[11]。因此，微创和可降解的无线ES已成为重要的研究方向。磁电（ME）纳米颗粒如BaTiO₃@Fe₃O₄（BTO@FO）、NiFe₂O₄–BaTiO₃和CoFe₂O₄–BaTiO₃（CFO–BTO）基于ME转换原理设计，通过磁致伸缩-压电耦合效应将交变磁场转化为局部电场[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。这一能力能够实现原位微创ES，并避免了现有无线ES方法（如超声驱动压电刺激）相关的机械或热损伤[17]。此外，用性能相当的可降解压电材料如铌酸钾钠（KNN）替代BTO或CFO，有望提高当前ME纳米颗粒的生物相容性[18]。这一进步将为提供生物电能支持的真正微创和可降解方法铺平道路。

值得注意的是，细胞间电信号不仅直接提供生物电能，还通过钙信号通路参与神经元代谢重编程，从而将生物电信号转化为生化学能调控[19]。在生理条件下，电活动显著促进ATP合成并增强氧化磷酸化效率，以满足神经元电活动带来的高生化学能需求[20]。然而，在SCI后的病理微环境中，血管破坏严重阻碍了代谢底物进入能量生成通路，导致生化学能生成不足[21]、[22]。损伤神经元能否进行代谢重编程以增强生物能产生， critically 影响轴突再生的成功与否[8]。尽管增强线粒体功能是一个有前景的治疗方向，但其在SCI后的应用受到极化神经元末端线粒体丢失和由协同蛋白介导的轴突运输受损的限制[8]、[23]、[24]。因此，一个关键挑战是在不依赖血管重建或线粒体能量转换的情况下，有效缓解神经元的生化学能缺陷。磷酸肌酸是中枢神经系统的主要能量储备，可直接在胞质中转化为ATP[25]。因此，开发磷酸肌酸的缓释递送系统为SCI后补充生化学能提供了一种有前景的策略。

基于"双能协同"概念，本研究提出了一种通过生物电和生化学能通路的协同干预来促进神经再生的能源增强策略（图1），旨在缓解SCI后病理微环境中的双重能量缺陷。为此，我们基于KNN/FO制备了可降解ME纳米颗粒以提供外源性生物电能。同时，开发了生化学能递送系统，通过将磷酸肌酸接枝到壳聚糖（PCr-C）上，实现壳聚糖降解过程中的磷酸肌酸持续释放。这两个组分被整合为一种能源增强水凝胶，它不仅作为细胞迁移和附着的物理桥梁，还通过ME纳米颗粒提供生物电能，并通过缓释系统提供生化学能支持。我们假设，生物电和生化学能的协同提供将有效缓解损伤后的能量短缺，从而重新激活神经元的内在生长程序，最终促进神经环路重建和功能恢复。

章节摘要

KNN/FO磁电纳米颗粒的合成与表征

KNN/FO纳米颗粒通过水热法合成。首先制备了平均直径为179.6 nm的FO纳米颗粒（图1A、S1A）。随后的水热处理促进了KNN颗粒在FO表面的嵌入，形成了平均尺寸增加至204.5 nm的均匀KNN/FO纳米颗粒（图1B、S1B）。高分辨率TEM分析进一步确认了KNN颗粒在FO表面的成功附着，晶格

讨论

SCI后的神经再生对神经功能恢复至关重要。SCI后，神经元面临以生物电和生化学能双重缺陷为特征的再生抑制性微环境。在本研究中，我们合成了可降解的KNN/FO纳米颗粒，并通过将磁场转化为原位生物电能来增强神经元的迁移和生长。此外，我们证明了外源性生物电能通过

结论

本研究证明，缓解SCI后微环境中生物电和生化学能的双重缺陷可以促进神经再生。通过将低频磁场下可降解KNN/FO提供的生物电能与PCr-C的持续生化学能释放相结合，部分克服了这两种能量限制，在大鼠SCI模型中实现了显著的结构性再生和功能恢复。这种双能增强策略

KNN/FO纳米颗粒的合成

FO纳米颗粒按照既定方案合成[11]。具体而言，将FeCl₃·6H₂O（0.675 g）、柠檬酸钠（Na₃CT，0.2 g）和醋酸铵（NH₄Ac，1.927 g）溶解在35 mL乙二醇中，加热至170°C并在油浴条件下保持一小时，然后转移到50 mL高压釜中在200°C下进行12小时水热处理。冷却至室温后，纳米颗粒用无水乙醇和超纯水交替洗涤三次

作者贡献声明

陈俊林：调查研究。永世隆：调查研究、形式分析、数据整理。马超：调查研究。王秀梅：写作–审阅与编辑、监督、资源、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。刘家骞：写作–原稿、可视化、验证、方法论、调查研究、形式分析、数据整理、概念构思。王贵怀：写作–审阅与编辑、监督、资源、方法论，

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性声明

数据可在合理请求下提供。

伦理审批声明

所有动物实验均经清华大学动物伦理委员会批准（24-WXM-6），符合体内实验报告（ARRIVE）指南。

竞争性利益声明

? 作者声明以下可能被视为潜在竞争性利益的财务利益/个人关系：王秀梅报告获得国家自然科学基金的资助。杨家报告获得北京市自然科学基金的资助。杨开元报告获得国家自然科学基金的资助。杨开元报告获得"U35培苗"基金的资助

致谢

作者感谢以下机构的资助：北京市自然科学基金（编号 2254091）、国家自然科学基金委员会（编号 82301560、32401140、32271414）、北京市昌平区"U35培苗"项目（资助编号 CHPU35202501002）、北京高层次创新创业人才支持计划青年骨干人才项目（编号 G202532275），以及清华大学新材料重点实验室（编号 KF202409）。

张杰|金坤古|刘家骞|马超|永世隆|陈俊林|佟鹏|杨家|李孜凡|罗晓宾|杨开元|曹正|王贵怀|王秀梅

清华大学材料科学与工程学院新材料与精细加工国家重点实验室 & 先进材料重点实验室，北京 100084，中国