《Advanced Functional Materials》：Bioactive Conductive Ti3C2Tx-Ce Hydrogel Facilitates Spinal Cord Injury Repair Through ROS Scavenging and Mitochondrial Regulation
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【编辑推荐】本综述聚焦于脊髓损伤（SCI）这一具有高致残率的中枢神经系统疾病。针对其修复过程中轴突再生受阻的核心难题——如抑制性活性氧（ROS）微环境、线粒体功能障碍等，作者设计并构建了一种新型生物活性导电水凝胶（TCH）。该水凝胶基于Ce3+离子插层的Ti3C2Tx（MXene）纳米片，不仅显著提升了材料的导电性（提升40.6%）和ROS清除能力（提升2倍），更在体内外实验中证实了其通过调节PI3K/Akt-S6信号通路，有效改善线粒体功能、促进轴突再生和突触重建，为功能性神经修复提供了新策略。
引言
脊髓损伤（SCI）是一种高发病率、高成本和高致残率的中枢神经系统损伤，会导致患者终生严重残疾。成功的轴突再生是神经回路重建和功能恢复的前提，这要求极高的能量供应，主要依赖线粒体代谢和三磷酸腺苷（ATP）产生。然而，一系列病理损伤限制了轴突再生，包括病变周围抑制性的活性氧（ROS）微环境、线粒体损伤以及神经元死亡增加。现有临床治疗策略不仅难以有效调节线粒体功能和提高神经元存活率，而且无法同步促进神经元轴突再生和功能性突触连接的形成。基于生物材料支架的组织修复策略，通过提供拓扑、生物物理和生化信息，在调节内在神经元再生和复杂的抑制性微环境方面展现出巨大潜力。其中，导电水凝胶因其优异的电生理特性，能模仿神经组织的电微环境，调节线粒体活性并促进轴突再生和髓鞘再生，成为SCI修复的有力候选者。
MXene导电水凝胶为组织修复应用提供了理想平台，这得益于其优异的导电性、亲水性、可降解性和生物相容性。然而，为了进一步提升MXene导电水凝胶在SCI修复中的轴突生长能力，仍面临严峻挑战：导电MXene组分稳定性差，影响了其生理电信号传递和神经元轴突再生的支持能力；传统的MXene水凝胶对过度的ROS微环境调控不足；现有多功能水凝胶往往忽视了导电材料、线粒体功能障碍与轴突再生之间的深层调控机制。
设计与合成：Ti3C2Tx-Ce纳米片及导电水凝胶（TCH）的构建
本研究提出了一种通过金属离子（Ce3+）插层策略，构建具有优异导电性和ROS清除能力的生物活性Ti3C2Tx-Ce纳米片，并进一步制备成可注射的导电水凝胶（TCH）。
通过室温下Ce3+离子插层策略成功制备了Ti3C2Tx-Ce纳米片，并证实了其结构的稳定性及铈元素的均匀分布。该纳米片的电导率高达4433 S cm-1，相较于原始的Ti3C2Tx纳米片（3152 S cm-1）提升了40.6%。这种提升归因于Ce3+离子与Ti3C2Tx纳米片表面末端基团（如-O, -OH）以及水分子配位，形成了独特的、具有氧化还原活性的Ce(OH)x羟基复合物层。该层作为一种活性桥梁，通过导电的Ti3C2Tx-Ce框架和可逆的Ce3+/Ce4+氧化还原循环，有效促进了层间电子转移和自由基中和。
在ROS清除能力方面，Ti3C2Tx-Ce纳米片表现出显著增强的H2O2降解效率（9小时后达76.7%），是原始Ti3C2Tx纳米片（38.2%）的两倍。更重要的是，研究表明其ROS清除机制不同于传统抗氧化材料的不可逆消耗过程。Ti3C2Tx-Ce纳米片通过其Ce(OH)x层优先且可逆地参与Ce3+/Ce4+氧化还原循环来实现ROS清除，而非导致Ti3C2Tx框架的不可逆氧化消耗，这使其具备持续调控氧化微环境的能力。此外，Ce(OH)x层还能作为保护层，有效降低了氧气在Ti3C2Tx表面的吸附能，显著提升了纳米片的氧化稳定性。
利用席夫碱反应，将氧化的透明质酸（AHA）和二酰肼修饰的明胶（Gel-ADH）与Ti3C2Tx-Ce纳米片复合，成功制备了可注射的TCH。该水凝胶展现出良好的可注射性、自愈性能和导电性。其微观结构呈现多孔网络（孔径约100微米），有利于神经细胞的粘附、延伸和营养运输。流变学测试表明TCH具有剪切稀化和自愈合特性，其断裂应力约为8.0 kPa，杨氏模量约为22.08 kPa，满足脊髓损伤修复应用的机械性能要求。体外细胞毒性实验表明，Ti3C2Tx-Ce纳米片在40-80微克/毫升浓度下对PC-12细胞无明显毒性，且TCH在21天内逐步降解约95%，表明其具有良好的生物相容性和可降解性。
体外作用机制：调控线粒体功能与促进神经元再生
线粒体是为神经元提供高能量需求和支持轴突生长的关键细胞器。本研究发现，Ti3C2Tx-Ce纳米片能有效缓解由H2O2诱导的神经元氧化应激和线粒体功能障碍。
具体表现为：显著降低神经元内ROS水平（DCFH-DA强度降低约2倍）和线粒体超氧化物水平（MitoSOX强度降低约84%）；恢复受损的线粒体膜电位（ΔΨm）；并通过调节线粒体融合与分裂相关基因（上调Mfn1, Mfn2，下调Drp1, Fis1）的表达，促进线粒体融合、抑制过度分裂，从而恢复线粒体动力学。更重要的是，Ti3C2Tx-Ce纳米片还能恢复神经元ATP产量（相较于H2O2组提升31.2%），为轴突再生提供能量基础。
在促进轴突再生和突触重建方面，Ti3C2Tx-Ce纳米片显著改善了神经元的轴突长度和复杂性（Sholl分析证实），并提升了突触标志物突触素（SYP）和突触后致密蛋白95（PSD95）的表达。其背后的电生理机制在于，该纳米片增强了神经元的自发性电活动（动作电位和兴奋性突触后电流频率增加，事件间隔缩短），并促进了钾离子（KCl）刺激下的钙离子（Ca2+）内流。这表明Ti3C2Tx-Ce纳米片通过其导电特性和ROS清除能力，重建了一个有利于电信号传导和能量-需求匹配的微环境。
体内治疗效果：促进脊髓损伤修复
在大鼠完全性脊髓横断损伤模型中，注射TCH水凝胶进行干预。组织学分析显示，TCH处理能显著减小损伤区域的空洞面积，促进Nissl小体的保存，表明其具有神经保护作用。DHE染色表明，TCH能有效清除损伤部位的过量ROS，氧化应激水平较SCI组降低60.3%。
免疫荧光染色进一步揭示了TCH的多重修复效果：它显著抑制了星形胶质细胞的活化（GFAP荧光强度降低35.6%），减少了胶质瘢痕的形成；同时促进了神经元树突（MAP2荧光强度增加约2倍）和轴突的重建。SMI312（成熟轴突标记）和GAP43（生长相关蛋白，再生轴突标记）的共定位分析显示，TCH处理组的成熟和再生轴突数量均大幅增加（SMI312阳性轴突增加4倍）。此外，TCH还促进了髓鞘的再生，表现为髓鞘碱性蛋白（MBP）表达的增加，且新生的轴突被连续的髓鞘所包裹，这对于恢复神经信号传导至关重要。
在功能恢复方面，采用BBB评分系统评估大鼠后肢运动功能。结果显示，在损伤后第三周起，接受TCH治疗的大鼠表现出显著更高的BBB评分，表明TCH促进了运动功能的恢复。
分子机制：调控PI3K/Akt-S6信号通路
Western blot和qRT-PCR分析揭示了TCH的作用机制。研究发现，TCH能够调节脊髓损伤后过度激活的PI3K/Akt信号通路。虽然总PI3K和Akt蛋白水平在各组间无显著变化，但磷酸化的p-PI3K和p-Akt在TCH治疗组中显著降低。与此同时，下游核糖体蛋白S6的磷酸化（p-S6）水平在TCH组中却显著升高。这表明TCH并非简单地抑制该通路，而是对氧化应激下失调的PI3K/Akt信号进行了精细调控，使其下游信号转向与轴突生长能力、线粒体稳态和翻译活性相关的S6轴，从而减轻线粒体负担，支持轴突再生。
结论
本研究成功构建了一种集ROS清除、线粒体保护和导电功能于一体的多功能Ti3C2Tx-Ce导电水凝胶（TCH）。其核心创新在于通过Ce3+离子插层形成的Ce(OH)x活性层，协同提升了材料的导电性和可循环的ROS清除能力。体外实验证明，该纳米片能有效改善线粒体功能障碍、增强神经元电活动并促进轴突再生。体内实验进一步证实，TCH能有效减轻脊髓损伤后的氧化应激和胶质瘢痕，显著促进轴突再生、突触重建和髓鞘形成，最终改善运动功能。其作用机制涉及对PI3K/Akt-S6信号通路的调控。这项工作提出了一种“多功能生物材料支架-线粒体调控-轴突再生”的神经修复新范式，为开发结构优化的多功能水凝胶用于组织再生提供了新的思路。
