王帆博士等开发滑环结构的力电耦合水凝胶微球实现组织间低损转导

  近日，王帆博士等人在Advanced Materials杂志上发表了一篇题为“Slide-ring structured stress-electric coupling hydrogel microspheres for low-loss transduction between tissues”的研究论文。该研究开发了具有滑环结构的力电耦合水凝胶微球，为恢复组织间低损传导的力电耦合提出了新的策略。

   图1：力电耦合水凝胶微球实现组织间低损转导的示意图

生物体内高效的能量转导对维持稳态和功能至关重要，但降低转导损耗仍是重要挑战。例如，关节软骨的压电特性可将机械能（如行走压力）转化为电能，进而通过电化学变化影响细胞反应和功能，指导组织再生。细胞外基质作为天然的力电耦合介质，是实现低损转导的关键。然而，其损伤或退化会导致能量损耗剧增，引发细胞功能紊乱并加剧组织损伤。因此，开发能够降低组织损伤处高传导损耗，以恢复组织低损传导力电耦合的功能材料显得尤为重要。

基于此，本研究合成具有滑环结构的聚轮烷作为交联剂，引入压电钛酸钡纳米颗粒与聚吡咯导电网络，利用微流控技术制备出滑环结构的力电耦合水凝胶微球。微球中滑环结构的分子滑移机制储存和释放机械能，减少机械损耗，压电钛酸钡实现应力-电转换，导电网络中的共轭π电子运动提高了微球内部电子转移效率。与传统的压电水凝胶微球相比，低耗散微球的应力-电耦合效率提高了2.3倍。微球产生的电信号触发钙离子内流进入干细胞，上调cAMP信号通路，促进软骨分化。此外，增强的电信号诱导巨噬细胞极化为M2表型，重塑炎症并促进组织修复。在体内，低耗散微球恢复了组织之间的低损转导，促进了大鼠骨关节炎的治疗。因此，本研究为恢复组织间低损传导的力电耦合提出了新的策略，特别是对于机械敏感组织。

期刊页码：Advanced Materials. 2025, 37(7): 2413156

原文链接：http://doi.org/10.1002/adma.202413156