组织再生是生物医学工程的重要前沿方向，其中关节软骨再生一直是一个巨大的挑战，原因在于软骨组织缺乏血管和神经，天然自我修复能力极其有限。在诸多组织工程手段中，外源性电刺激已被证实能有效促进多种组织的再生修复，包括神经修复、骨修复与关节软骨修复等。其根本原理在于生物电信号在组织再生过程中发挥着关键作用。然而，内源性生物电主要表现为离子型电信号，即由非平衡离子形成的电场或离子流产生的电流，这与基于压电、电磁、摩擦电等效应产生的电信号存在本质差异。

  针对上述挑战，北京纳米能源所王中林院士&蒲雄研究员联合北大口腔医院周永胜教授&李峥副教授，开发了一种可植入的仿生“机械–离子电”水凝胶（Machano-Iontronic Hydrogel, MI-hydrogel），通过内源性生物离子电刺激来增强软骨修复。当MI-hydrogel受到压缩应力而形变时，聚合物网络中的离子随溶剂发生迁移，然而阴阳离子的迁移速率存在差异，从而形成离子分布梯度，最终产生离子极化电场。这种MI-hydrogel性质和离子电机制与天然软骨特性和生物电机制极为相似。研究表明，MI-hydrogel植入关节软骨的缺损部位后，当身体活动时受到应力变形，通过耦合离子电和机械刺激，激活机械敏感离子通道蛋白 Piezo1，从而促进干细胞软骨向分化，最终促进软骨修复，改善关节功能。更为重要的是，该研究还证明这些协同作用能够重塑局部代谢微环境，增强谷氨酰胺代谢和三羧酸循环，从而为软骨再生提供能量和代谢支持，加速软骨再生过程。这项研究不仅突显了MI-hydrogel作为新型治疗手段的潜力，还引入了组织再生的新机制，为再生医学提供了创新方法。

  该研究工作以题为“Mechano-Iontronic Hydrogels Generating Biomimetic Endogenous Bioelectricity for Promoting Cartilage Regeneration”发表在国际顶级学术期刊Advanced Materials上（IF=27.4）。论文共同第一作者为李隆伟博士、李峥副教授和岳慕心博士，通讯作者为李峥副教授、王中林院士、周永胜教授、和蒲雄研究员。该项研究得到国家自然科学基金、海南省自然科学基金、科技部、中国科学院国际合作项目和中央高校基本业务经费的支持。

图1 MI-hydrogel通过机械–离子电效应促进软骨再生

图2 天然软骨与MI-hydrogel中的机械–离子电转化

图3 MI -hydrogel在压力作用下促进骨髓间充质干细胞软骨向分化

图4大鼠膝关节软骨缺损模型中，MI-hydrogel结合运动负荷显著促进软骨再生

图5 代谢组学揭示MI-hydrogel在软骨修复过程中通过机械–离子电作用重塑代谢微环境

图6 MI-hydrogel通过调节谷氨酰胺代谢加速软骨再生

  该工作是蒲雄团队关于机械-离子电效应相关研究的最新进展之一，该团队前期报道了一种新型的具有高电流输出、低内阻、高转移电荷量的压电离子水凝胶发电机（Nat. Commun. 2024，5, 1494）。研究了基于水凝胶材料的挠曲离子电极化机制，并报道了创纪录的挠曲电系数（Adv. Mater. 2024, 36, 2403830）。设计了多梯度水凝胶来增强机械-离子电转化（Nano Energy 2024, 110477）。李峥副教授团队近年来聚焦于组织再生微环境多维度调控的研究，系统解析了能量代谢和免疫调控在组织再生中的转化应用（Adv. Mater. 2024, 36, 2402738；Adv. Funct. Mater. 2023, 2309594；Stem Cells, 2019, 37(12): 1542-1555; Bioactive Materials, 2022, 18:492-506；International Journal of Oral Science, 2022, 14:54；Chemical Engineering Journal, 2024, 490:151892）。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202514604