磁场系统诱导电信号产生，抑制炎症反应并促进神经分化

【山东大学齐鲁医院】 Adv Mater.（IF=27.4）多功能导电生电水凝胶通过免疫调节及促进神经元分化修复脊髓损伤

文章来源：Multifunctional Conductive and Electrogenic Hydrogel Repaired Spinal Cord Injury via Immunoregulation and Enhancement of Neuronal Differentiation   PMID: 38308338 DOI: 10.1002/adma.202313672

研究背景

脊髓损伤（Spinal cord injury, SCI）的复杂病理微环境（包括炎症级联反应及神经元再生障碍）导致其功能恢复极具挑战性。传统电刺激疗法因依赖植入式电极而存在感染风险及材料毒性问题。黑磷纳米片（black phosphorus nanoplates, BP）作为一种新型二维材料，虽具备优异的导电性能和生物相容性，但存在易降解特性且仍需外接电极。本研究创新性地将BP与双交联水凝胶（壳聚糖/丝素蛋白）复合，在旋转磁场（rotating magnetic field, RMF）作用下基于电磁感应原理使水凝胶产生非接触式电信号，实现了无创电刺激。该磁场系统不仅能诱导电信号产生，还可通过物理调控机制同时抑制炎症反应并促进神经分化，从而突破了传统电刺激治疗的局限性。

研究思路

研究团队设计了一种基于磁场驱动的多功能导电水凝胶（BP@Hydrogel），其核心思路为：

1. 材料合成：通过静电相互作用和席夫碱反应构建双交联水凝胶，嵌入BP纳米片以增强导电性。

2. 磁场-电信号耦合：将水凝胶置于RMF中，利用电磁感应原理切割磁感线，生成稳定微电流（1.3 μA），模拟脊髓导电微环境。

3. 功能验证：通过体外实验验证磁场驱动下电信号的抗炎作用和神经元分化诱导能力，并结合动物模型验证其在SCI修复中的综合疗效。磁场在此不仅是无线电刺激的能量来源，还通过动态调控电信号强度实现了对局部微环境的精准干预。

主要结果

1. BP@Hydrogel的导电性与磁场响应性

（1）含0.3 mg/mL BP的水凝胶电阻率最低（0.36 Ω·m），且在RMF（500 rpm）下可产生1.3 μA电流，接近正常脊髓白质的导电性（0.6 S/m）。

（2）通过LED电路实验直观展示水凝胶的导电性，验证其作为无线电刺激载体的可行性。

2. 生物相容性与安全性

BP浓度≤0.5 mg/mL时，细胞存活率>85%，且体内降解产物对主要器官无毒性，表明磁场驱动的电刺激无额外生物风险。

3. RMF-BP@Hydrogel的抗炎作用

在RMF下，水凝胶显著抑制小胶质细胞活化（iNOS、TNF-α、IL-1β表达降低，阻断炎症级联反应，为神经元再生创造有利环境。

4. 磁场驱动神经元分化

（1）RMF-BP@Hydrogel使神经干细胞（NSCs）分化为成熟神经元的比例提高3.5倍，且GFAP（星形胶质细胞标记物）表达显著降低。

（2）单独RMF或无BP水凝胶无此效应，表明磁场与导电材料的协同作用至关重要。

5. 机制解析：PI3K/AKT通路激活

RNA测序和Western blot显示，RMF-BP@Hydrogel通过激活PI3K/AKT信号通路调控NSCs定向分化，磁场驱动的电信号直接参与通路调控。

6. 动物模型功能恢复

（1）RMF-BP@Hydrogel治疗组小鼠运动功能（BMS评分）、电生理信号及膀胱功能显著改善。

（2）免疫荧光显示损伤区新生神经元（Tuj-1、MAP2）增加，且突触再生增强，证实磁场驱动的电刺激促进功能重建。

主要结论

本研究通过磁场驱动的BP@Hydrogel系统，实现了脊髓损伤修复的双重突破：

（1）非侵入性无线电刺激：RMF通过电磁感应生成局部电信号，避免了传统电极的侵入性风险。

（2）免疫-神经协同调控：磁场增强的抗炎效应（抑制小胶质细胞活化）与电信号诱导的神经元分化（PI3K/AKT通路激活）共同改善损伤微环境。

（3）功能重建验证：动物模型中行为学与电生理恢复证实，磁场驱动的电刺激策略在临床转化中具有潜力。

研究创新点

（1）磁场驱动的无线电刺激：首次将RMF与导电水凝胶结合，利用电磁感应原理实现非侵入性、靶向电刺激，突破传统电极局限。

（2）动态调控电信号强度：通过调节磁场转速（500 rpm）和BP浓度（0.3 mg/mL）优化电流输出（1.3 μA），精准匹配神经修复需求。

（3）磁场-材料协同机制：揭示磁场通过激活PI3K/AKT通路诱导神经元分化，并抑制炎症，实现“一磁双效”。

（4）可注射与降解可控性：水凝胶可原位注射并缓慢降解（6周降解率>85%），确保长期电刺激与生物安全性。

（5）临床转化潜力：磁场强度（0.03-0.3 T）远低于医用MRI设备（0.5-2 T），安全性高，为未来临床应用奠定基础。