近日，廣東工業大學譚幗馨教授和廣州醫科大學附屬第三醫院周蕾教授團隊開發出一種可注射“力學順應性水凝膠生物電子材料”，可通過“免疫調控+電耦合”協同作用，顯著促進糖尿病肌肉組織再生。相關工作以題為“ Mechanically Compliant Hydrogel Bioelectronics Promote Diabetic Skeletal Muscle Regeneration Through Immunomodulatory and Electrocoupling Effects ”的文章發表在2025年05月05日的期刊《

Advanced Functional Materials

糖尿病患者常伴隨慢性炎癥與免疫功能紊亂，導致肌肉組織修復能力大幅下降，尤其在發生創傷或手術切除后形成的“體積性肌肉缺損”（VML），幾乎無自然愈合能力。 臨床上 傳統治療手段療效有限 。 當前再生醫學雖探索出多種組織工程支架材料， 尤其是 植入式生物電子材料 通過 電耦合 療法治療肌肉損傷 中顯示出潛力 ， 但在應對糖尿病VML修復時仍面臨巨大挑戰。一方面，傳統導電材料與軟組織力學不匹配，難以實現長期穩定的電信號傳導；另一方面，糖尿病相關免疫微環境長期處于“促炎”狀態，顯著抑制肌肉再生。

針對糖尿病大體積骨骼肌缺損（VML）修復中“慢性炎癥+電信號中斷”的雙重障礙，廣東工業大學譚幗馨教授與廣州醫科大學周蕾教授團隊聯合研發出一種具備力學仿生、可注射、導電與免疫調節多重功能的智能水凝膠材料（GKP水凝膠）。該水凝膠由三種天然高分子—氧化葡甘露聚糖（OKGM）、多巴胺功能化聚吡咯（PPy-PDA）納米顆粒與明膠（Gel）自組裝而成，具備出色的組織黏附性、電導率與可塑性。GKP水凝膠的彈性模量與天然骨骼肌高度匹配，注射后可在缺損區域快速形成穩定的組織貼合界面，并適應肌肉動態運動所產生的應力波動。其內部連續導電網絡由PPy-PDA構建，可有效重建電生理信號通路，增強肌肉電興奮性。更為關鍵的是，水凝膠中的OKGM可靶向巨噬細胞甘露糖受體 ， 特異性調控M2巨噬細胞極化，抑制炎癥反應 ， 實現免疫調節與電偶聯協同促進糖尿病VML模型肌肉再生。

圖1 免疫調節電活性水凝膠示意圖。(a)機械順應性水凝膠示意圖。(b) GKP水凝膠促進糖尿病骨骼肌愈合的機制。

通過動態共價鍵、氫鍵和靜電相互作用，形成的機械順應性GKP水凝膠能夠匹配骨骼肌組織的力學性能，形成長期穩定的保形界面，防止骨骼肌運動導致水凝膠與組織失配，保證電偶聯效應的有效延續。GKP水凝膠通過電偶聯和免疫調節協同作用于糖尿病骨骼肌缺陷的機制和治療過程。GKP水凝膠中的OKGM與甘露糖受體結合，招募并介導M2型巨噬細胞的極化，使水凝膠生物電子學具有固有的免疫調節特性，減緩糖尿病條件下的炎癥反應，從而促進骨骼肌愈合。此外，GKP水凝膠提供的導電微環境可以增強內源性或外源性細胞的電通訊。因此，利用GKP水凝膠的電偶聯效應，配合骨骼肌組織獨特的電生理特性，重新建立骨骼肌缺陷區域的電偶聯，恢復電生理信號在缺陷區域的傳播，改善缺陷電生理，從而促進骨骼肌愈合。

圖2 GKP水凝膠的機械性能、注射性能和自愈性能。各組GKP水凝膠：(a)頻率掃描模式流變分析，(b)平均儲存模量，(c)剪切減薄試驗，(d)應變幅掃描試驗。(e)通過在1%至200%的振蕩應變范圍內反復恢復來評估GKP水凝膠的自愈性能。(f) GKP水凝膠宏觀自愈行為圖像。(g)拉伸曲線，(h)楊氏模量，(i)壓縮曲線，(j) GKP-0水凝膠壓縮循環曲線，(k) GKP-8水凝膠壓縮循環曲線，(l) GKP-8水凝膠能量耗散。

GKP水凝膠具有與人體骨骼肌相匹配的力學模量，具備100%自愈能力，可承受反復壓縮拉伸，突出了其在骨骼肌組織工程中的應用潛力。

圖3 GKP水凝膠的粘接和導電性能。(a)豬皮搭接剪切試驗示意圖。(b)搭剪黏附曲線和(c)各水凝膠組的定量分析。(d) CV曲線，(e)不同GKP水凝膠基團的頻率依賴性電化學阻抗譜。(f)用GKP水凝膠構建的電路圖像。(g)各種GKP水凝膠基團的電導率。(h) GKP-8水凝膠的敏感性。GKP-8水凝膠的耐藥性變化曲線：(i)小菌種，(j)大菌種。(k)體外肌電圖記錄的實驗裝置圖像。刺激電極插入左側肌肉組織，記錄電極插入右側肌肉組織。(l)不同GKP水凝膠組肌電波幅與正常肌肉組織電導的比較。

GKP水凝膠中醛基團的存在允許與新鮮組織表面的氨基發生共價反應，使其能夠牢固地附著在有缺陷的組織界面上。此外，靜電相互作用和氫鍵促進了水凝膠與組織之間的強粘附 ， 最終 快速形成穩定的組織貼合界面。此外，PPy-PDA納米顆粒均勻分散并形成可滲透網絡，形成穩定導電網絡，有效傳導電生理信號，促進肌肉組織電信號傳導 ， 提升肌肉興奮性與功能恢復。

圖4 GKP水凝膠促進功能恢復。(a)正常大鼠作為對照的電生理試驗示意圖。(b)弱刺激（0.1 V）和強刺激（1 V）下的肌電圖記錄結果。(d)電生理試驗圖像。(e)未損傷大鼠和未處理或GKP-8水凝膠處理的損傷大鼠的肌電波幅記錄。(f) 10 V刺激未損傷大鼠和GKP-8水凝膠治療損傷大鼠，同時用GKP水凝膠填充缺損的肌電圖。(g)爬坡實驗圖像。30°和60°傾斜試驗用于評估運動功能恢復；(h)各組大鼠跳躍率；（i）有效的測試。(j)術后4周各組有代表性的爪印。(k)術后4周各組大鼠空間步態參數（步長）。

通過 電生理測試 表明， GKP水凝膠由于其基于連續導電網絡的優異導電性和與肌肉的力學匹配 ， 注射后GKP水凝膠快速建立組織間電連接，肌電信號幅度與正常肌肉接近 。 證實 可以增強肌肉組織的有效導電性和組織-水凝膠界面的協調接觸，能在骨骼肌缺損處實現有效的電傳導 。 斜坡爬行測試與抓力測試中，GKP處理組表現優于對照組 ， 表面 促進 了 新生骨骼肌電生理功能的恢復 ， 改善 了 運動功能：。此外，GKP水凝膠能夠重建電活性微環境，抑制慢性炎癥，重塑炎癥微環境，促進肌成纖維細胞分化，通過電耦合和免疫調節協同促進肌肉再生和功能恢復，顯示了其在肌肉再生中的益處和更廣泛的用途。

圖5 GKP水凝膠促進大塊骨骼肌缺陷的愈合。(a)實驗過程概覽示意圖。術后4周處死大鼠，取骨骼肌作進一步檢查。(b)手術誘導的大鼠骨骼肌缺損術后骨骼肌再生示意圖。(c)大鼠骨骼肌損傷部位圖像。(d)治療4周后SD大鼠骨骼肌損傷部位的Masson染色和(e) H&E染色。(f) iNOS, (g) Arg-1的代表性免疫熒光圖像。(h)治療4周后SD大鼠骨骼肌損傷部位MHC免疫組化標記圖像的代表性免疫熒光圖像。(i)每平方毫米有中心核肌纖維的數目。

此外， HE染色與Masson染色顯示GKP水凝膠減少炎細胞浸潤、抑制纖維化，MHC染色證實肌纖維再生顯著增強 。 qPCR與免疫熒光標記結果均支持M2型巨噬細胞上調、M1型下調，表明其優異的免疫調控能力。 這是由于 GKP水凝膠中的葡甘露聚糖可介導巨噬細胞極化至抗炎表型（M2型），并產生抗炎作用。

這項研究不僅為糖尿病肌肉損傷修復提供了可行策略，也為“生物電子材料+免疫調控”在組織工程領域的融合應用開辟新思路。此外，該水凝膠的設計理念具備高度可拓展性，有望在神經修復、心肌重建等電活性組織修復中獲得更廣泛應用。未來團隊也計劃推進原料合成工藝優化與臨床轉化研究。

參考文獻

Lin Y, Xing X, Kang X, et al. Mechanically Compliant Hydrogel Bioelectronics Promote Diabetic Skeletal Muscle Regeneration Through Immunomodulatory and Electrocoupling Effects[J]. Advanced Functional Materials, 2025: 2423340.

https://doi.org/10.1002/adfm.202423340

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202423340

來源：高分子科學前沿