Bioactive Materials
一种新型生物能量活性水凝胶促进软骨修复

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该研究设计了一种具有生物能量活性的可注射水凝胶，通过增强线粒体膜电位和ATP产生，有效促进软骨细胞外基质（ECM）合成并缓解氧化应激损伤，为软骨修复提供了新的治疗策略。

 

文献概述
本文《Bioenergetic-active hydrogel drives extracellular matrix synthesis for cartilage repair》，发表于《Bioactive Materials》杂志，回顾并总结了通过调控细胞能量代谢来促进软骨修复的研究进展，重点探讨了一种新型生物能量活性水凝胶（BAH）在软骨缺损模型中的治疗潜力。

背景知识
软骨修复是骨科领域的重要挑战，由于其无血管结构和细胞密度低，自我修复能力有限。目前临床手段如微骨折术和自体软骨移植难以完全恢复软-cartilage稳态，常导致纤维软骨异常增生。I型胶原水凝胶虽已用于临床，但其凝胶化方法有限、机械强度不足、降解过快等缺点限制了其应用。近年来，研究发现软骨细胞在损伤后经历代谢重编程，但这种状态无法满足ECM合成所需的高能量需求。线粒体功能障碍、膜电位降低、ATP生成减少及ROS过度积累是软骨退变的重要因素，影响ECM稳态和软骨再生。因此，开发能调节能量代谢的生物材料成为研究热点。本文基于此背景，设计了一种可降解、可光交联的BAH，旨在提升软骨修复效果，为治疗软骨损伤提供新的思路。

 

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研究方法与实验
研究团队通过一锅法合成BAH预聚体，并采用紫外光交联制备水凝胶。材料表征包括1H NMR、FTIR、流变测试、扫描电镜及体外降解实验。此外，通过分离大鼠软骨细胞并进行3D培养，评估BAH对ECM相关基因表达、细胞增殖、ATP水平及线粒体膜电位的影响。在兔软骨缺损模型中，比较BAH与ColH的修复效果，利用组织学染色、免疫组化及Micro-CT分析新软骨及软骨下骨再生。

关键结论与观点

• BAH成功提升软骨细胞ATP水平，增强线粒体膜电位（ΔΨm），改善能量代谢状态。
• 在氧化应激模型中，BAH显著降低ROS生成，恢复线粒体形态，提高细胞活力。
• BAH上调ACAN和Col2α1基因表达至ColH组的189%和138%，促进类透明软骨样ECM合成。
• 在兔模型中，BAH组在6周和12周均表现出更优的软骨修复效果，组织结构接近天然软骨。
• 免疫组织化学分析显示，BAH组Col2α1和ACAN表达显著升高，且MMP13表达下调，表明其ECM保护作用。

研究意义与展望
本研究提出了一种基于生物能量调控的软骨修复策略，为软骨组织工程提供新思路。BAH通过调控能量代谢，有望成为治疗关节软骨损伤的新型生物材料。未来研究可进一步探索其在人体中的安全性及长期修复效果，推动临床转化。

 

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结语
该研究成功构建了一种具有生物能量活性的水凝胶BAH，通过提升ATP生成和线粒体功能，有效促进软骨细胞外基质合成并缓解氧化应激损伤。在兔模型中，BAH展现出优于传统胶原水凝胶的软骨修复能力，组织结构更接近天然软骨。本研究不仅为软骨再生提供了新的生物材料策略，也为能量代谢调控在组织工程中的应用奠定了基础，具有良好的临床转化前景。

 

Shangtong Jiang, Ziyang Lan, Xin Zhang, Yingying Du, and Shengmin Zhang. Bioenergetic-active hydrogel drives extracellular matrix synthesis for cartilage repair. Bioactive Materials.