近日，蘭州大學研究團隊在缺損軟骨原位再生修復領域取得了新進展，開發了一種植入式磁電仿生軟骨水凝膠。這種水凝膠在組成、結構和功能上能夠仿生軟骨組織，為軟骨修復提供了適宜的理化環境和功能補償。該材料基于磁電耦合循環轉化效應，通過響應輕柔的關節運動負荷，釋放自由激發且循環強化的電磁刺激，模擬和放大內源性電磁效應，從而在3個月內實現缺損軟骨的原位再生，在軟骨組織工程領域具有廣闊的應用前景。該研究以“Implanted Magnetoelectric Bionic Cartilage Hydrogel”為題，發表在國際著名期刊《Advanced Materials》上。

研究顯示，關節軟骨承擔著潤滑和力學緩沖的功能。然而，由于其無血管、細胞密度低以及基質更新頻率慢等特性，其自我修復能力有限。傳統的臨床干預手段不僅難以達到理想的修復效果，還可能引發嚴重的并發癥，因此亟需創新性的軟骨修復策略。近年來，軟骨組織工程領域的研究進展表明，水凝膠材料在模擬有利于軟骨修復的理化環境方面具有廣闊的應用前景。盡管水凝膠材料展現出巨大潛力，但其在促進組織再生方面通常依賴于外源性生長因子或干細胞，這不僅帶來了安全性和倫理方面的問題，還增加了系統的復雜性。隨著物理刺激療法的不斷發展和應用，研究者們開始探索利用物理刺激激活與軟骨修復相關的分子信號通路，從而實現缺損軟骨的原位再生。在此背景下，開發一種能夠提供原位電磁刺激的仿生軟骨水凝膠成為該領域研究的重要方向，蘭州大學研究團隊基于此開展實驗研究。

仿生概念在組織工程領域發揮著至關重要的作用。軟骨組織因其結構復雜、成分多樣以及功能重要，具有獨特的理化環境和“內源性”電磁效應，這使得仿生軟骨水凝膠的制備面臨著巨大的挑戰。蘭州大學研究團隊通過獨特的三相溶劑體系，成功開發了一種創新型的植入式磁電仿生軟骨水凝膠（VAFe）。這種磁電水凝膠通過整合雙網絡半交叉鏈糾纏結構的PHBV基復合水凝膠的壓電相與Fe?O?納米顆粒基磁致伸縮相，構建出一種具有類似天然軟骨組織的含水量、孔隙率、壓電性能、磁電性能和機械強度的仿生軟骨水凝膠，從而為缺損軟骨的原位再生提供了理想的理化環境和功能支持。當VAFe水凝膠植入缺損部位后，能夠通過輕柔的關節運動激活其壓電反應，進而觸發磁電耦合循環轉化效應，釋放出一種自由激發且循環強化的電磁刺激。這種集成電磁耦合的方式將傳統外加電場或磁場的不足完全克服，同時優化了傳統壓電模型的局限性，通過模擬和放大內源性電磁效應，顯著提升了軟骨修復的效果，展現出優于單純壓電刺激和磁刺激的綜合優勢。這一研究成果充分體現了VAFe水凝膠在誘導缺損軟骨原位再生和治療骨關節炎方面的巨大潛力。

VAFe水凝膠的制備過程與工作原理示意圖

本項研究通過兔膝關節缺損模型驗證了軟骨修復的療效，并證實了VAFe水凝膠的可靠生物相容性。在此基礎上，蘭州大學研究團隊通過系列體內外實驗驗證了VAFe水凝膠的磁電耦合循環轉化效應的可行性與優越性，同時深入探究了其潛在的作用機制。研究發現，VAFe水凝膠能夠通過激活電壓門控通道促進Ca2?的內流，從而調控與軟骨修復相關的TGF-β信號通路，揭示了其具體的作用機制。綜上所述，本項研究不僅拓展了壓電材料與磁電材料在軟骨修復領域的應用范圍，為加速缺損軟骨的原位再生和促進透明軟骨修復提供了一條創新性治療途徑，同時也為未來的臨床轉化奠定了堅實的基礎。此外，這些發現還為相關領域學者在內源性電磁效應的利用以及仿生水凝膠的開發方面帶來了新的研究啟發和方向。

蘭州大學研究團隊在該領域深耕多年，基于智能制造技術實現了具有仿生軟骨結構的第一代軟骨（Advanced Functional Materials 2021, 31, 2006697）以及可定制化墨水能夠原位再生的第二代軟骨（Advanced Functional Materials 2024, 34, 2400608）。蘭州大學口腔醫學院碩士研究生梁家琛為論文第一作者，口腔醫學院范增杰教授為論文通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、甘肅省聯合研究基金、中央引導地方科技發展基金等項目的資助。

https://doi.org/10.1002/adma.202415417