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组织损伤部位的高转导损失阻碍了修复，而压电生物材料机电转换中的高耗散特性同样给组织修复带来挑战。
2025年1月2日，上海交通大学崔文国、重庆医科大学白定群共同通讯在Advanced Materials 在线发表题为“Slide-Ring Structured Stress-Electric Coupling Hydrogel Microspheres for Low-Loss Transduction Between Tissues”的研究论文。该研究利用超分子工程和微流控技术引入滑环聚轮烷和导电聚吡咯，构建应力-电耦合水凝胶微球。
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，导电网络中共轭π电子运动提高了微球的内部电子转移效率，降低了应力-电转换中的损耗。与传统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，能量耗散降至43%。在细胞水平上，微球产生的电信号触发了Ca2+流入干细胞并上调cAMP信号通路，促进软骨形成分化。电信号的增强诱导巨噬细胞极化为M2表型，重塑炎症并促进组织修复。体内实验中，低耗散微球恢复了组织间的低损耗转导，减轻了软骨损伤，改善了大鼠骨关节炎治疗结果。因此，该研究提出了一种恢复组织间低损耗转导的新策略，特别是在机械敏感组织中。
低损耗能量转导对于维持生理稳态和各种生物功能至关重要。然而，减少转导损耗仍是机电能量转换系统面临的一个重大挑战。人体内的低损耗能量转导涉及各种形式的相互转化和协同作用，包括机械能、电能和化学能。在关节软骨的能量转导过程中，软骨的压电特性能够将机械能（如行走时的压缩力）转化为电能。此外，软骨组织压电效应产生的电信号可以改变细胞内电化学梯度和离子通道活动，从而影响细胞内化学反应（化学能），如细胞内pH值、离子浓度和其他信号分子的活性，从而进一步调节细胞行为和组织功能。因此，机电转化是组织再生和功能恢复的关键驱动力。细胞外基质作为天然应力-电偶联剂，是生物组织中机电转化的主要介质。这种低损耗传输确保了不同组织之间的有效能量分配，最大限度地减少了不必要的能量耗散和应力集中，从而有助于防止组织损伤和功能退化。然而，细胞外基质的损伤或降解会损害组织的自然低损耗传输特性，从而导致组织机电转换过程中的大量能量损失。高转导丢失不仅会导致损伤部位的细胞功能障碍，还可能加剧组织损伤。因此，开发能够减少损伤部位高转导损耗以恢复组织中低损耗应力-电耦合的功能材料尤为重要。基于应力-电耦合的压电水凝胶是有效减少组织损伤部位转导损失的功能材料之一。研究人员将具有压电特性的钛酸钡（BTO）纳米颗粒封装在水凝胶中。这种水凝胶在机械应力或其他物理刺激下变形，储存机械能并对压电粒子施加压力（机械转导）。当压电颗粒被压缩时，其晶体结构内的正负电荷中心发生相对位移，形成一个内部电场，将水凝胶吸收的机械能转化为电能（能量转换）。这种电能以电信号（电转导）的形式传递到周围的生物组织，激活干细胞的能量代谢和免疫调节。然而，已有的压电水凝胶的分子网络表现出高能量耗散特性。在机械应力下，水凝胶网络内的共价键和非共价键断裂，吸收机械能并将其作为热量消散，从而导致能量损失。此外，水凝胶网络中固定的交联点限制了分子链段的迁移率，导致在机械应力下分子间摩擦和能量耗散增加。这些因素共同导致了机械能转化为电能过程中的过度机械损耗。因此，提高压电水凝胶中分子链段的迁移率，减少键断裂和分子间摩擦，以及最大限度地减少机械损耗对于恢复组织中的低损耗应力-电耦合至关重要。图1 应力-电耦合水凝胶微球用于组织间低损耗转导示意图（摘自Advanced Materials ）组织间低损耗转导产生的电信号是调节细胞命运的重要手段，在优化组织修复和再生的微环境中起着至关重要的作用。电信号通过激活调节受损组织重建的离子通道和下游细胞信号来引导细胞行为，尤其是干细胞迁移和分化。电信号诱导的免疫调节作用对于组织修复至关重要。作为恢复组织间低损耗转导的关键成分，水凝胶对电信号的传导直接影响其治疗效果。传统的压电水凝胶在其分子结构中缺乏可自由移动的电荷载流子，其3D交联网络进一步阻碍了内部电荷载流子的移动性，导致明显的电损耗特性。虽然低机械损耗压电水凝胶可以有效地将机械能转化为电能，但高电损耗极大地阻碍了电信号向周围受损组织的有效传输，影响其治疗潜力。因此，进一步提高压电水凝胶的电子迁移效率，降低电损耗，构建低机械损耗和电损耗的耦合系统，对于将低损耗应力-电耦合的效能最大化至关重要。基于生物热力学理论，作者利用超分子工程和微流控技术构建了一个超分子滑环结构应力电耦合水凝胶微球，以恢复组织之间的低损耗转导。首先，以衣康酸酐、α-环糊精和聚乙二醇（PEG）为原料合成了一种具有滑环结构的聚轮烷交联剂。用BTO压电纳米颗粒构建甲基丙烯酰化明胶（GelMA）水凝胶微球。利用自由基聚合和π-π偶联引入聚吡咯（Ppy）导电聚合物网络，形成滑环结构应力-电耦合水凝胶微球（P-LMS），利用滑环结构的分子滑移机制、Ppy的共轭π电子运动和BTO的压电性能的协同作用，P-LMS表现出低机械和电损耗特性。体外低损耗转导试验评估了压电水凝胶微球在将组织运动的机械能转化为电能过程中减少能量损失的能力，体外细胞试验评估了微球低损耗转导产生的电信号对干细胞和巨噬细胞表型软骨生成分化的影响和机制。使用大鼠骨关节炎（OA）模型验证了微球通过恢复关节软骨中低损耗应力-电耦合促进软骨再生的作用。此外，该微球在促进机械敏感组织（包括骨骼、肌肉和心脏）的再生方面应用潜力巨大。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202413156![]()
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