《Materials Today Bio》：Ultrasound-activated piezoelectric Silk-PVDF hydrogel reprograms the osteoimmune microenvironment via NRF2 signaling for accelerated bone regeneration
编辑推荐：
本研究针对骨缺损修复中传统生物材料缺乏动态电机械信号的关键问题，开发了一种可注射超声响应压电水凝胶。研究人员将丝素蛋白(SF)的结构适应性与聚偏氟乙烯(PVDF)的生物电活性相结合，在超声刺激下PVDF产生局部电信号，通过瞬时升高活性氧(ROS)激活NRF2通路，促进巨噬细胞向M2表型极化，增强脂肪间充质干细胞(ADSCs)成骨分化和血管生成。大鼠股骨缺损模型证实该水凝胶能显著促进骨再生，为复杂骨缺损治疗提供了新型智能生物材料平台。
当骨骼因创伤、疾病或肿瘤切除出现缺损时，成年人的骨组织自我修复能力有限，这成为临床面临的重大挑战。虽然自体骨移植仍是金标准，但来源有限且会造成供区损伤；而异体骨或钛合金等合成材料又存在免疫排斥和机械性能不匹配等问题。组织工程水凝胶因其能模拟细胞外基质而展现出潜力，然而传统水凝胶主要作为被动支架，缺乏骨再生所必需的动态电机械信号——这正是骨骼天然压电性驱动的修复过程的关键。
近日，复旦大学附属中山医院康复医学科的研究团队在《Materials Today Bio》上发表了一项创新研究，他们开发出一种可注射的超声响应压电水凝胶，巧妙地将丝素蛋白的结构优势与聚偏氟乙烯的电活性相结合，为骨缺损修复提供了新策略。这项研究不仅突破了传统生物材料的局限性，更通过调控骨免疫微环境实现了加速骨再生。
关键技术方法
研究团队采用甲基丙烯酰化丝素蛋白(SM)作为基体，通过伊伽克2959/三乙醇胺/N-乙烯基吡咯烷酮光引发体系实现快速UV交联。将电纺PVDF纳米纤维冷冻切片为微米级单元后嵌入SM基质，构建具有压电响应的复合水凝胶。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、核磁共振氢谱(1H-NMR)和扫描电镜(SEM)等多重手段表征材料特性。研究采用大鼠临界尺寸股骨缺损模型(直径3毫米)，通过显微CT和组织学分析评估骨再生效果，并利用低强度脉冲超声(1兆赫兹，100毫瓦/平方厘米)进行体外刺激。
材料合成与性能表征
研究人员首先通过甲基丙烯酰修饰丝素蛋白的赖氨酸氨基，成功制备了可注射的SM水凝胶。FT-IR和1H-NMR分析证实了甲基丙烯酰基团的成功引入。通过优化光引发剂浓度，使10%SM水凝胶的交联时间缩短至10秒以内，极大提升了临床适用性。将冷冻切片的PVDF微纤维(约20微米)以5-15毫克/毫升的浓度嵌入SM基质后，X射线衍射(XRD)和FT-IR证实PVDF的结晶性得以保持。扫描电镜显示SM基质具有均匀多孔结构，PVDF单元均匀分布其中。
在物理性能方面，通过嵌入电极测量发现，PVDF掺杂组在超声刺激下产生约80毫伏的峰值电压，而纯SM水凝胶输出微弱(<20毫伏)。降解实验表明，28天内PVDF掺杂水凝胶与SM组的质量损失无显著差异，说明水凝胶的降解特性主要由SM基质主导。流变学测试证实水凝胶具有典型的剪切稀化特性，适合注射应用。
生物相容性与成骨效应
细胞实验显示，SM/PVDF水凝胶具有优异的生物相容性，脂肪来源间充质干细胞(ADSCs)和人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的存活率均超过95%。在成骨分化评估中，碱性磷酸酶(ALP)活性和阿尔新红(ARS)染色均表明，含10%PVDF并经超声激活的水凝胶(10P-SM+U)组表现出最强的成骨诱导能力。实时定量PCR和蛋白质印迹分析进一步证实，该组中胶原蛋白I(C1)、Runt相关转录因子2(Runx2)和骨桥蛋白(OPN)等成骨标志物表达显著上调。
值得注意的是，研究发现在5-15毫克/毫升浓度范围内，PVDF含量与成骨效果无剂量依赖性，表明即使低浓度PVDF也能产生充分的压电刺激，这为临床转化提供了重要优势。
促血管生成与免疫调节机制
在血管生成方面，伤口愈合实验和管形成实验表明，5%PVDF掺杂并经超声激活的水凝胶(5P-SM+U)能显著增强HUVECs的迁移和成管能力。同时，CD31和血管内皮生长因子(VEGF)表达上调，证实了该材料的促血管生成潜力。
机制研究发现，压电刺激产生的电信号会瞬时提高活性氧(ROS)水平，进而激活核因子E2相关因子2(NRF2)通路。这一过程不仅激活了抗氧化反应，还促使巨噬细胞向促再生的M2表型极化。通过抑制剂木犀草素阻断NRF2后，成骨效应被显著抑制，直接证明了NRF2通路在压电促进骨再生中的关键作用。
体内验证与治疗效果
在大鼠股骨缺损模型中，显微CT和组织学分析显示，植入5P-SM+U水凝胶4周后，缺损区域出现大量成熟的板层骨形成，骨体积分数(BV/TV)显著提高。免疫组化染色进一步证实，该组CD31(血管标志物)表达最强，而精氨酸酶1(Arg1，M2标志物)表达最高，CD86(M1标志物)表达最低，表明水凝胶在促进血管再生和改善免疫微环境方面具有协同作用。
研究结论与意义
该研究成功开发了一种创新型可注射压电水凝胶，通过整合丝素蛋白的生物活性和聚偏氟乙烯的压电效应，实现了对骨再生微环境的多重调控。这种SM/PVDF复合水凝胶不仅提供了物理支撑，还能在超声激活下产生局部电信号，通过ROS-NRF2轴调控免疫微环境，促进巨噬细胞向M2表型极化，同时增强成骨分化和血管生成。
这项研究的创新性在于首次将短纤维PVDF应用于可注射水凝胶系统，实现了压电生物材料的可注射化，解决了传统压电材料不可注射、生物相容性差的问题。更重要的是，研究揭示了压电刺激通过ROS-NRF2轴调控骨免疫微环境的新机制，为理解电刺激促进骨再生的分子机制提供了新视角。
该技术平台超越传统被动支架的功能，通过模拟骨骼固有的电机械-免疫轴，为复杂骨缺损的治疗提供了新范式。这种将材料科学、生物电信号和免疫调控相结合的策略，不仅对骨组织工程有重要意义，也为其他组织再生领域提供了新思路。
