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针对上述问题，上海交通大学医学院附属第六人民医院钱运副研究员和清华大学孙晓丹副研究员合作开发的力学生物活性BaTiO₃压电水凝胶生物电子学（BaTiO₃@COL-1），利用低强度超声驱动压电材料产生压电电势与局部微电流，上调星形胶质细胞PIEZO1通道与施万细胞PIEZO2通道，介导钙离子内流激活线粒体功能并促进ATP合成，形成高效能量网络作为中心生物能量枢纽以促进胶质细胞介导的神经修复。该策略在多种动物模型（小鼠、大鼠、比格犬及恒河猴）中验证疗效与生物安全性，揭示了一种新型胶质细胞线粒体动力学策略，为神经损伤的临床治疗给予了有前景的治疗模式。该文章于2025年11月23日以《Mechano-bioactive hydrogel bioelectronics for mechanical-electrical-bioenergetic conversion and glia-modulating neural regeneration》为题发表于《Nature Communications》（ DOI: 10.1038/s41467-025-66779-5）。

图1. 超声驱动压电水凝胶生物电子学用于神经修复的机械-电-生物能量转换与胶质细胞调控神经再生示意图。

（1）超声驱动压电水凝胶生物电子特性

溶剂热法合成BaTiO₃纳米颗粒，SEM显示钝角立方体形态，平均粒径约90.53 nm（图2A-C），EDS元素映射证实O、Ba、Ti均匀分布（图2D）。XRD取得晶格常数a=0.399416 nm、c=0.404559 nm，（002）与（200）峰强度比约1:2，符合四方相P4mm结构（图2E）；HRTEM的FFT分析识别（001）和（100）晶面，晶面间距分别为0.4041 nm和0.3983 nm（图2F），SAED图谱与之印证（图2G）。Raman光谱在243.95、307.981、515.026和715.117 cm⁻¹处出现特征峰，对应A₁(TO)、E、B₁(TO+LO)及E、A₁(TO)振动模式，证实TiO₆八面体存在四方畸变（图2H）。PFM显示−15 V至15 V电压下典型蝶形回线（图2I），180°极化反转相位偏移证实铁电性（图2J）。COMSOL模拟验证100 kHz超声刺激下BaTiO₃产生显著电势变化，立方体中心电荷积累增强。BaTiO₃纳米颗粒掺入I型胶原（COL-1）水凝胶后，共聚焦反射显微镜显示纤维网络结构完整（图2K、L）。流变学测试：1 Hz下凝胶特性维持至10%应变，弹性模量于3%应变开始下降（图2M）；3%恒定应变频率扫描中，10 Hz以上凝胶结构被破坏（图2N）；3%应变、8 Hz条件下，储能模量（G'）1 min内达到平衡，30 min内保持稳定（图2O）。超声处理后水凝胶结构完整，表明其高频条件下结构稳定性。

图2. 超声波驱动压电水凝胶生物电子学的性能与表征。（A）BaTiO₃纳米颗粒的扫描电镜图像。（B）纳米颗粒粒径分布。（C）透射电镜图像。（D）单个BaTiO₃纳米颗粒的Ba、Ti、O元素分布图。（E）X射线衍射图谱及（002）与（200）峰放大图。（F）高分辨透射电镜图像。（G）快速傅里叶变换图。（H）拉曼光谱。（I）压电力显微镜测量的振幅-电压曲线。（J）相位-电压曲线。（K-L）胶原水凝胶与BaTiO₃@COL-1水凝胶的共聚焦反射显微镜图像。（M-O）水凝胶的流变学特性分析。

（2）PIEZO2 介导的机械转导用于施万细胞神经调节

超声或压电材料单独处理未提高PIEZO1/2基因表达，Piezo+US组PIEZO2表达上调约9倍，PIEZO1变化倍数小于1.2且无蛋白水平差异（图3A、B）。PIEZO2表达在超声后30 min达峰，第2天再次刺激时峰值超过第1天（图3C）。Piezo+US显著上调Cav1.1、Cav1.2、Cav2.2、Cav2.3和Cav3.1等VGCCs基因表达（图3D），Fluo-4 AM检测显示该组钙内流明显高于HG和Piezo+HG组（图3F、G）。该组钙调蛋白、cAMP和JNK蛋白水平上调，pls3表达提高1.7倍以上，BDNF、GDNF和S100β表达在超声后30 min达峰并与PIEZO2曲线一致（图3H、I）。Piezo+US组条件培养基促进HUVEC管腔形成和CAM血管生成；TOM-20和MitoLite标记线粒体增加，ATP产量更高（图3J-L），GLUT1、谷氨酰胺合成酶和ATP合酶β亚基表达上调，Opa1、MFN1、MFN2增加而pDrp1、MFF降低，提示线粒体融合增强（图3M、N）。PIEZO2敲除后钙内流显著减少，S100β和TOM20荧光降低，钙信号及线粒体动力学蛋白减弱；维拉帕米仅轻度降低钙强度，对PIEZO2表达、cAMP通路、线粒体功能及修复表型无显著影响，表明PIEZO2是介导钙内流的主要通道。RNA-Seq显示Piezo+US组与对照组存在全局差异（图3O、P），上调基因涉及ECM感知与重塑（Crnn、Mmp15、Vcan、Mmp10）、信号转导（Mcoln3、Ednrb、Pln、Adgrv1）及氨基酸合成（Flrt1、Tph1、Ptprv），KEGG分析富集于钙信号和氨基酸代谢通路（图3Q）。综上，超声驱动压电水凝胶生物电子学顺利获得机械-电转换激活PIEZO2通道，增加钙内流以激活ATP合酶并促进MFN/OPA1介导的线粒体融合。

图3. 超声波驱动压电水凝胶顺利获得PIEZO2介导大鼠雪旺细胞的机械信号转导。（A）PIEZO1/2 mRNA表达。（B）PIEZO2蛋白免疫印迹。（C）PIEZO2 mRNA表达随时间变化。（D）电压门控钙通道mRNA表达。（E）机械信号转导示意图。（F）钙离子荧光染色。（G）平均荧光强度统计。（H）钙调蛋白、cAMP、JNK蛋白表达。（I）神经营养因子mRNA表达时序。（J）线粒体外膜蛋白TOM20免疫荧光。（K）TOM20荧光强度统计。（L）ATP浓度检测。（M）葡萄糖转运蛋白、谷氨酰胺合成酶、ATP合成酶β亚基蛋白表达。（N）线粒体动力学蛋白免疫印迹。（O-P）RNA测序差异表达基因与火山图。（Q）KEGG通路富集分析。

（3）PIEZO1介导的机械转导用于修复星形胶质细胞的表型

星形胶质细胞中，Piezo+US组PIEZO1而非PIEZO2表达显著上调（图4A、B），VGCCs激活可能参与机械刺激诱导的钙内流但多数变化无统计学意义（图4C）。该组RAs标志物axin2、mmp13和mmp2表达高于其他组，SAs相关基因表达最低（图4D），A2m、Ngf、Pdgf、GLP-1R、Slc2a1和Thbs2等基因上调更强（图4E）。TOM20和MitoLite免疫荧光显示该组线粒体网络点状结构减少（图4F-J）；PIEZO1敲除后TOM20荧光显著降低，维拉帕米使钙内流减少约20%，PIEZO-cAMP下调对线粒体活性的影响在星形胶质细胞中较施万细胞更显著。Piezo+US促进S100a10⁺ A2修复表型并降低C3⁺ A1表型，维拉帕米减少S100a10并增加C3。该组谷氨酰胺合成酶、ATP合酶β亚基和GAD67表达分别提高5.6、1.6和4倍（图4K），线粒体动力学蛋白趋势与施万细胞相似（图4L），条件培养基显著促进血管形成（图4M-P）。RNA-Seq显示29个基因下调、298个基因上调，涉及Krt23、Krt15（机械稳定性）、Mast4、Pvrl4（细胞骨架）、Ppp2r2c、Cacna1s（信号转导）及Setbp1、Il6（神经调节）（图4Q），KEGG提示机械转导相关通路改变（图4R）。综上，超声驱动BaTiO₃水凝胶生物电子学激活星形胶质细胞PIEZO1，钙内流启动线粒体融合作为能量中枢促进修复。

图4. 超声波驱动压电水凝胶在大鼠星形胶质细胞中的机械信号转导。（A-B）PIEZO1/2 mRNA表达。（C）电压门控钙通道PCR阵列热图。（D）反应性与瘢痕星形胶质细胞标志基因表达。（E）反应性星形胶质细胞基因特征热图。（F）TOM20免疫荧光。（G）TOM20与DAPI共定位分析。（H）TOM20荧光强度统计。（I）MitoLite与钙离子荧光染色。（J）荧光强度统计。（K）谷氨酰胺合成酶、ATP合成酶β、GAD67蛋白表达。（L）线粒体动力学蛋白免疫印迹。（M）HUVEC管形成实验。（N）管形成统计分析。（O-P）鸡胚尿囊膜实验图像与血管数量统计。（Q）差异表达基因火山图。（R）KEGG通路富集分析。

（4）针对外周神经再生的施万细胞响应性机械神经工程

大鼠和恒河猴坐骨神经挤压伤模型验证机械神经工程修复效果。SD大鼠分四组：PNI无处理、非压电水凝胶、压电水凝胶生物电子学和超声刺激压电水凝胶生物电子学组，术后2周和4周评估；手术当日植入BaTiO₃水凝胶生物电子学包裹损伤神经（图5A），术后每日超声5 min、持续3周。体内Ba²⁺浓度低于毒理学阈值。术后2周，Piezo+US组PIEZO2阳性区域增多（图5B、C），神经纤维结构清晰均一，PNI组轴突网络断裂紊乱（图5D）；术后4周该组胶原沉积致密有序（图5E）。纵向切片显示压电水凝胶保护神经纤维并激活施万细胞，各组GAP43荧光强度无统计学差异（图5F、G）；横切面显示Piezo+US组施万细胞激活更多，CD34荧光强度高于PNI组。电生理监测显示Piezo+US组神经传导速度（57.04±0.30 m/s）和复合肌肉动作电位（16.66±3.54 mV）显著优于其他组（图5H、I）。TEM和甲苯胺蓝显示该组髓鞘最厚（0.49±0.11 μm）、轴突直径最大（3.16±0.23 μm）（图5J-M），后肢肌肉更强健、运动更协调（图5N）。热板实验Piezo+US组第4周热痛觉恢复更快、反应潜伏期缩短（图5O）；悬尾实验该组活动率（90.47±8.15%）高于PNI组（44.20±21.30%）。主要脏器H&E染色未见明显异常。

图5. 超声波驱动压电水凝胶促进SD大鼠外周神经损伤后的神经再生与功能恢复。（A）大鼠坐骨神经挤压伤模型示意图。（B）PIEZO2免疫组化染色。（C）PIEZO2阳性染色定量。（D）损伤神经纵向H&E染色。（E）天狼星红偏振光染色。（F）GAP43、S100β、βIII-tubulin免疫荧光。（G）荧光强度统计。（H）神经传导速度与复合肌肉动作电位统计。（I）肌电图曲线。（J）髓鞘透射电镜图像。（K）甲苯胺蓝染色。（L-M）轴突直径与髓鞘厚度统计。（N）腓肠肌层粘连蛋白染色。（O）热板实验反应潜伏期。

（5）压电水凝胶生物电子学在恒河猴外周神经损伤模型中的疗效和生物安全性

超声驱动压电水凝胶生物电子学在恒河猴坐骨神经挤压伤模型中验证疗效和生物安全性（图6A）。术后4周，主要脏器H&E染色未见明显炎症或细胞凋亡，血液学及生化指标无异常。虽未施加超声，但Piezo+HG组因恒河猴肌肉收缩活动强烈，对压电水凝胶产生显著机械刺激，PIEZO2阳性免疫组化分布更多（图6B、C），神经纤维更致密有序（图6D）。多标记免疫荧光显示该组神经元微管和生长锥分布更高，血管生成加速（图6E、F）。Piezo+HG组肌纤维周长和面积更大（图6G-I），支配皮肤毛囊密度和数量更多（图6J）。术后4周患肢肌力和活动显著恢复，Piezo+HG组记录到更高幅度电信号（图6K、L）。TEM和TB显示PNI组（6.26±0.99 μm）与Piezo+HG组（7.38±1.79 μm）轴突直径相当，但后者髓鞘厚度显著更优（2.52±0.23 μm vs 2.10±0.38 μm）（图6M-O）。综上，压电水凝胶生物电子学在非人灵长类外周神经修复中具有治疗效果和生物安全性，PIEZO2和施万细胞激活，良好的生物相容性显示其临床转化潜力。

图6. 压电水凝胶在恒河猴外周神经损伤模型中的疗效与生物安全性。（A）手术与植入示意图。（B）PIEZO2免疫组化染色。（C）阳性染色定量。（D）神经纵向H&E染色。（E）CD34、GAP43、βIII-tubulin免疫荧光。（F）CD31免疫荧光。（G）去神经支配影响示意图。（H）腓肠肌H&E染色。（I）肌纤维周长与面积统计。（J）皮肤Masson染色。（K）电生理记录电极设置。（L）电刺激记录电位。（M）髓鞘透射电镜图像。（N）甲苯胺蓝染色。（O）轴突直径与髓鞘厚度统计。

（6）用于脊髓修复的星形胶质细胞活性机械神经工程

体外实验表明超声驱动压电水凝胶生物电子学可激活PIEZO1介导的星形胶质细胞修复，进一步在大鼠和比格犬SCI模型中体内验证。大鼠SCI模型中，压电水凝胶生物电子学植入2 mm脊髓缺损间隙（图7A），术后每日超声5 min、持续3周。Piezo+US组PIEZO1免疫组化明显阳性（图7B、C），背根神经节静息电位维持约−70 mV，而SCI组和非压电水凝胶组偏正（图7E）；−60 mV至+80 mV去极化刺激下，Piezo+US组电流密度最高（图7F）。术后12周，SCI组以Sox9⁺瘢痕形成星形胶质细胞为主，Piezo+US组显著减少瘢痕形成星形胶质细胞，形成"桥样"瘢痕结构替代SCI组"壁样"屏障（图7G、H）。NeuN、GAP43等标记显示Piezo+US组保留更多轴突并促进5-HT神经元活性（图7I、J），CSPG表达少于其他组（图7K、L），谷氨酰胺合成激活，腓肠肌结构紧密。热板实验Piezo+US组术后12周反应潜伏期（10.83 s）短于SCI组（27.88 s）和非压电水凝胶组（25.75 s）。BBB评分和旷场实验显示Piezo+US组运动功能恢复更优，进入网格次数和轨迹更多（图7M）。综上，超声驱动压电水凝胶生物电子学促进大鼠SCI修复。

图7. 超声波驱动压电水凝胶促进SD大鼠脊髓损伤后的神经再生与功能恢复 。（A）脊髓缺损模型与植入示意图。（B-C）PIEZO1免疫组化染色与定量。（D）背根神经节全细胞膜片钳示意图。（E）静息膜电位分析。（F）钙电流密度与代表性曲线。（G）GFAP、S100β、Sox9、Nestin免疫荧光。（H）荧光强度统计。（I）NeuN、GAP43、CD34免疫荧光。（J）荧光强度统计。（K）CS-56与谷氨酰胺合成酶免疫荧光。（L）荧光强度统计。（M）开场实验轨迹图与分析。

（7）Cu-CZO 对皮下脓肿的清除效果

BaTiO₃水凝胶生物电子学植入比格犬脊髓半切损伤部位（图8A），术后超声刺激。术后4周两组后肢均可触地但无法支撑体重（图8B）；术后8周Piezo+US组后肢肌力部分恢复；术后12周该组后肢力量明显改善并恢复摆尾活动，SCI组无功能改善（图8B）。术后3周Piezo+US组PIEZO1阳性免疫组化显著高于SCI组（图8C、D），主要脏器H&E染色未见差异（图8E）。SCI组腓肠肌纤维萎缩，周长和面积减小（图8F、G）；Piezo+US组Olby评分显著改善，体重无显著下降（图8H、I）。术后12周MRI显示SCI组脊髓陆续在性中断，Piezo+US组陆续在性恢复（图8J），NeuN免疫荧光平均强度更高（图8K）。体外和体内实验表明，超声驱动压电水凝胶生物电子学顺利获得星形胶质细胞响应和PIEZO1激活改善SCI修复。PIEZO2主要表达于背根神经节神经元，亦参与SCI机械转导；PIEZO2杂合子敲除小鼠显示谷氨酰胺和βIII-微管蛋白荧光减少，5-羟色胺释放下调，NeuN和GAP43强度降低而CS56强度增加，提示PIEZO通道在SCI机械神经工程中发挥潜在作用。

图8. 超声波驱动压电水凝胶在比格犬脊髓损伤模型中的疗效与生物安全性。（A）脊髓半切模型与植入示意图。（B）后肢功能恢复图像。（C）PIEZO1免疫组化染色。（D）阳性染色定量。（E）主要器官H&E染色。（F）腓肠肌H&E染色。（G）肌纤维周长与面积统计。（H）Olby评分统计。（I）体重变化。（J）脊髓段磁共振成像。（K）NeuN免疫荧光染色。