Advanced Materials | 自旋工程的纳米酶克服了活性选择性权衡，实现了木质素生物质转化的可持续粘合剂生产

线粒体自噬失衡关键地推动细胞凋亡和组织退化，需要生理电适应以达到细胞阈值。然而，退行性组织表现出缺乏的内源性电信号，干扰细胞能量传递。利用超分子工程和微流控策略，我们通过协同组装压电铍铁氧体纳米颗粒（BF）和滑动环功能化甲基丙烯酸透明质酸（HAMA），构建了一个内摩擦网络水凝胶微球系统，实现了退行性组织中的生理电适应。BF 将机械刺激转换为电信号，而应力依赖的内部摩擦网络则调节能量耗散。在低应力下，滑动环运动产生低摩擦，机电转换损失为 61.5 kJ/m 3，增强了电的产生。在高应力下，主链拉直将摩擦增加至 78.3 kJ/m³，抑制过多信号并恢复生理电适应。微球在动态负载下产生稳定的电场（95–110 mV/mm），通过 PINK1/Parkin 途径激活促进线粒体自噬，保持线粒体膜电位稳定（与 OS 组相比，JC-1 比值增加 49.2%），并将髓核凋亡减少 75%。体内实验表明，微球植入恢复了生理电环境，增强了线粒体自噬，抑制了细胞凋亡，延缓椎间盘退变的进展，为通过电适应恢复治疗退行性组织提供了新见解。

针对椎间盘退变等组织退化性疾病，其核心病理机制之一在于线粒体自噬失衡所引发的细胞凋亡与能量代谢紊乱。退变组织内源性电信号缺失，进一步加剧了细胞功能的衰退。近期，一项发表于《先进材料》的研究提出了一种创新的内摩擦网络压电水凝胶微球系统，通过恢复组织的生理电适应，为干预退行性病变提供了全新思路。

该研究团队运用超分子工程与微流控技术，成功构建了兼具应力响应与机电转换功能的复合水凝胶微球。其核心设计在于将具有优异压电性能的铋铁氧体纳米颗粒与滑动环功能化的甲基丙烯酰化透明质酸进行协同组装。滑动环结构构成的聚轮烷作为动态交联点，与柔性高分子链段共同形成了独特的内摩擦网络。这一网络能够根据所受应力大小自适应地调节能量耗散：在低应力下，滑动环自由滑动，内摩擦阻力小，机械能损耗低，有利于压电材料高效地将力学刺激转化为电信号；而在高应力下，高分子主链被拉直，滑动环运动受阻，内摩擦显著增大，从而耗散多余机械能，抑制过度电信号输出，实现了电信号输出的自适应调控。

在动态载荷下，该水凝胶微球系统能够产生稳定在95至110 mV/mm范围内的电场，这一强度恰好处于细胞生理响应阈值之内。体外实验表明，在模拟椎间盘退变的过载应力环境下，该材料产生的适宜电刺激能够显著激活PINK1/Parkin介导的线粒体自噬通路，有效清除功能受损的线粒体，维持线粒体膜电位稳定。与单纯过载应力组相比，经水凝胶微球处理的髓核细胞线粒体膜电位提升了49.2%，同时细胞凋亡率降低了75%。进一步机制研究揭示，这种生理电适应的恢复，不仅促进了细胞外基质关键成分如II型胶原和聚集蛋白聚糖的合成，还显著抑制了基质金属蛋白酶等降解因子的表达，从而维持了髓核细胞的稳态。

研究团队建立了大鼠尾椎椎间盘退变模型进行体内验证。结果显示，植入内摩擦网络压电水凝胶微球后，退变椎间盘的椎间盘高度指数及髓核水含量得到显著改善，组织结构破坏程度明显减轻。影像学与组织学分析均证实，该治疗能有效延缓椎间盘退变的进程。转录组测序分析进一步从分子层面揭示了其作用机制：该材料通过恢复生理电环境，显著调控了与线粒体功能、能量代谢及细胞凋亡相关的信号通路，其保护作用依赖于PINK1/Parkin通路的激活。

综上所述，这项研究创造性地将压电材料与具有应力响应耗散能力的内摩擦网络相结合，构建了一种智能生物材料。它能够将体内复杂的动态力学载荷转化为稳定且适宜的生理性电信号，通过精准调控线粒体自噬这一细胞质量控制系统，从根源上改善退变组织的代谢微环境与细胞命运。这项工作不仅为椎间盘退行性疾病的治疗提供了极具潜力的新策略，其“力学-电学-生物学”联动的设计理念，也为其他需要恢复电生理功能的组织修复与再生领域带来了重要启示。

参考文献：

DOI: 10.1002/adma.202519152