导读：

近日，成都医学院韦佼君副教授、赵龙副教授等人开发了一种名为 HMBTLCs 的仿生多功能水凝胶微球，专门用于治疗骨关节炎。这种微球通过集成载姜黄素脂质体和钛酸钡纳米颗粒，能够同时解决关节润滑不足、慢性炎症及软骨再生受阻三大核心问题。脂质体不仅能持续释放抗炎药物，还能通过摩擦触发机制形成自我修复的润滑层，显著降低关节摩擦。与此同时，钛酸钡利用压电效应将日常活动产生的机械应力转化为电信号，有效诱导软骨细胞增殖并促进细胞外基质的修复。

实验数据表明，该平台能成功将巨噬细胞由致炎状态转化为修复状态，并在动物模型中大幅改善软骨损伤。这种协同治疗策略为逆转骨关节炎的病理循环提供了一种极具潜力的注射式生物材料方案。相关研究以“Bioinspired Multifunctional Hydrogel Microspheres with Lubricating, Anti-Inflammatory, and Piezoelectric Effects for Osteoarthritis Treatment”为题目，发表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

本文要点：

1. 设计理念与制备工艺

• 仿生设计：受健康软骨自然超润滑和压电特性的启发，研究团队设计了可注射的水凝胶微球。

• 微流控合成：利用微流控技术，在甲基丙烯酰化透明质酸（HAMA）基质中同时包裹负载姜黄素的脂质体（Lip@Cur）和钛酸钡（BT）压电纳米颗粒。

2. 三重协同治疗机制

• 自更新润滑：微球通过其球形结构提供滚动润滑，且内部包裹的脂质体能在摩擦过程中释放并重新组装，形成自更新的水化润滑层。其摩擦系数（COF）低至 022，达到了健康软骨的水平。

• 持续抗炎：脂质体能够负载并缓慢释放姜黄素（释放时间超过 28 天），有效清除活性氧（ROS），并协同压电刺激将巨噬细胞从促炎的 M1 型诱导极化为修复性的 M2 型（CD206/CD86 比例增加 7 倍）。

• 压电促进再生：嵌入的 BT 纳米颗粒能将关节活动产生的机械负荷转化为内源性电信号（3 N 负荷下约 20 mV），激活钙信号通路，从而促进软骨细胞增殖和细胞外基质（ECM）的分泌。

3. 分子机制解析（转录组学研究）

• 协同但不重叠的途径：转录组分析显示，姜黄素和压电刺激通过不同的信号通路发挥作用。姜黄素主要影响 TNF、IL-17 和 JAK-STAT等炎症相关通路；而压电刺激则主要激活钙信号通路和 cAMP 信号通路。

• 共同终点：尽管机制不同，两者最终汇聚于上调软骨标记基因（如 ACAN）和下调基质降解酶（如 MMP13），共同维持软骨基质的稳态。

4. 治疗效果与生物安全性

• 显著疗效：在大鼠 OA 模型中，HMBTLCs 处理 8 周后，OARSI 评分降低了 31%，能有效防止软骨磨损并抑制骨赘形成。

• 优异的安全性：体内外实验均证实该系统具有良好的生物相容性，未观察到明显的溶血反应或内脏器官损伤。

5. 总结

该研究提供了一种微创、多靶点的精准治疗策略，不仅能延缓 OA 的进展，还能协同促进软骨组织的再生修复，为退行性关节疾病的治疗提供了新思路。

Scheme 1：HMBTLCs的制备及治疗机制示意图；(A) 利用微流控技术制备包裹负载姜黄素脂质体（Lip@Cur）和钛酸钡（BT）纳米颗粒的甲基丙烯酰化透明质酸（HAMA）复合水凝胶微球（HMBTLCs）；(B) HMBTLCs的设计理念，通过整合水化润滑、压电刺激和抗炎药物控释，实现关节炎软骨修复并改善炎症微环境。

图1. 脂质体和HMBTLCs的表征。(A) Lip@Cur的透射电镜（TEM）图像。(B) 脂质体和Lip@Cur的粒径分布。(C) 脂质体和Lip@Cur的Zeta电位分布及多分散指数（PDI）。(D) 透明质酸（HA）和HAMA的红外光谱（FTIR）。(E) 代表性共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像，显示负载姜黄素的脂质体（分别为绿色和红色荧光）被包裹在HAMA水凝胶微球中；比例尺：50 μm。(F) 扫描电镜（SEM）图像显示HMBTLCs的微观形貌。(G) 能量色散X射线光谱（EDS）元素映射显示HMBTLCs表面含有C、O、P、Ti和Ba元素。(H) HMBTLCs和BT的XPS全谱，以及HMBTLCs中Ba 3d_3/2、Ba 3d_5/2、Ti 2p_1/2、Ti 2p_3/2和P 2p的高分辨率XPS光谱。(I) Lip@Cur和HMLCs的药物释放曲线。(J) HMs和HMLCs的酶促降解曲线。(K) 阳离子脂质体（C-Lip）和中性脂质体（N-Lip）靶向实验的明场和荧光图像，脂质体显示红色荧光信号。

图2. 润滑性能和压电性能的表征。(A) 摩擦-润滑耦合实验示意图。(B) 模拟滑液（SF）、HMBTs和HMBTLCs的摩擦系数（COF）随时间变化曲线 (i) 和COF直方图 (ii)。(C) 评估压电水凝胶微球压电性能的实验装置示意图。(D) 同时获取的HMBTLCs形貌高度、压电响应振幅和相位图像。(E) HMBTLCs的振幅滞后回线 (i) 和相位滞后回线 (ii)。(F) 在3 N压缩载荷下，由HMs和HMBTLCs制成的器件的开路电压输出。(G) HMBTLCs制成的器件在1至5 N不同压缩载荷下的开路电压。(H) 单个HMBTLC在1至5 N外力作用下，由COMSOL模拟得到的压电电位分布。

图3. 各种水凝胶微球的体外生物相容性。CCK-8检测显示HMs、HMLCs和HMBTLCs（有或无超声US处理）对 (A) SD大鼠原代软骨细胞和 (B) RAW 264.7巨噬细胞的细胞活力影响。(C) HMs、HMLCs、HMBTs和HMBTLCs的定量溶血率。代表性荧光图像显示 (D) SD大鼠原代软骨细胞和 (E) RAW 264.7巨噬细胞的活（绿色）/死（红色）染色，比例尺：100 μm。（数据以平均值 ± 标准差表示 (n = 6)，ns p > 0.05 表示无显著性差异；*p < 0.05 表示HMBTLCs与其他组相比有显著差异；#p < 0.05 表示不同时间点之间的比较）。

图4. 评估各种水凝胶微球对脂多糖（LPS）处理的RAW 264.7巨噬细胞的抗炎功效。(A) 用于检测细胞内活性氧（ROS）的DCFH-DA染色代表性图像；比例尺：50 μm。(B) M1型巨噬细胞标记物CD86和M2型巨噬细胞标记物CD206的免疫荧光染色；比例尺：50 μm。(C) ROS荧光强度的定量分析。(D) CD206/CD86荧光强度比值分析。(E, F) 通过流式细胞术评估的M1和M2型巨噬细胞百分比。(G-I) qRT-PCR分析RAW 264.7巨噬细胞中TNF-α、IL-1β和IL-10的mRNA表达。（数据以平均值 ± 标准差表示 (n = 5)，*: p < 0.05 表示与对照组相比有显著差异）。

图5. 评估各种水凝胶微球对减轻LPS处理的SD大鼠原代软骨细胞氧化应激、促进增殖和增强合成代谢活性的效果。(A) 用于检测细胞内ROS的DCFH-DA染色代表性图像；比例尺：50 μm。(B) ROS荧光强度的定量分析。(C) EdU掺入免疫荧光分析；比例尺：100 μm。(D) EdU阳性细胞的定量分析。(E) II型胶原（COL II，绿色）、F-肌动蛋白（F-actin，红色）和DAPI（蓝色）的免疫荧光分析；比例尺：50 μm。(F) COL II荧光强度的定量分析。(G) 蛋白聚糖（ACAN，红色）和DAPI（蓝色）的免疫荧光分析；比例尺：100 μm。(H) ACAN荧光强度的定量分析。(I) COL II和ACAN表达的蛋白质印迹（Western blot）分析。（数据以平均值 ± 标准差表示 (n = 5)，NS: p > 0.05 表示无显著性差异；*: p < 0.01 表示与其他组相比有极显著差异）。

图6. 软骨细胞经HMLCs和HMBTs + US处理后的增殖转录组测序分析：(A) 对照组 vs HMLCs 的火山图。(B) 对照组 vs HMBTs + US 的火山图。(C) 对照组、HMLCs和HMBTs + US中差异表达基因的分层聚类热图。(D) 对照组 vs HMLCs 的KEGG通路富集分析气泡图。(E) 对照组 vs HMBTs + US 的KEGG通路富集分析气泡图。巨噬细胞经HMLCs和HMBTs + US处理后的抗炎反应转录组测序分析：(F) 对照组 vs HMLCs 的火山图。(G) 对照组 vs HMBTs + US 的火山图。(H) 对照组、HMLCs和HMBTs + US中差异表达基因的分层聚类热图。(I) 对照组 vs HMLCs 的KEGG通路富集分析气泡图。(J) 对照组 vs HMBTs + US 的KEGG通路富集分析气泡图。红色表示上调，蓝色表示下调，灰色表示无差异（|log₂FC| ≥ 1, FDR < 0.05）。

图7. 各种水凝胶微球在4周和8周时的体内治疗效果。(A) SD大鼠骨性关节炎（OA）采用各种水凝胶微球治疗的流程图。SD大鼠膝关节代表性组织学染色图像：(B) H&E染色；(C) 番红O-固绿（SO&FG）染色；比例尺：100 μm。(D) COL II 和 (E) MMP13 的免疫组化染色；比例尺：50 μm。(F) 国际骨关节炎研究协会（OARSI）评分。(G) COL II 表达和 (H) MMP13 表达的定量分析。（数据以平均值 ± 标准差表示 (n = 6)。ns p > 0.05, *p < 0.05, **p < 0.01 表示同一时间点不同组之间的比较；#p < 0.05, ##p < 0.01 表示同一组在4周和8周之间的比较）。

图8. 各种水凝胶微球治疗后4周和8周时OA膝关节的Micro-CT评估。(A) 膝关节代表性三维重构Micro-CT图像。(B) 对应的膝关节二维冠状位和矢状位切片；箭头指示骨赘形成，红色三角标记软骨下骨板塌陷。根据Micro-CT图像进行的定量分析：(C) 相对骨赘体积、(D) 体积骨密度（vBMD）和 (E) 骨体积分数（BV/TV）。（数据以平均值 ± 标准差表示 (n = 6)。ns p > 0.05, *p < 0.05, **p < 0.01 表示同一时间点不同组之间的比较；#p < 0.05, ##p < 0.01 表示同一组在4周和8周之间的比较）。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.6c06655

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