针对上述问题，海军军医大学陈华江/上海交通大学袁伟恩等团队受贻贝足丝超强湿黏附启发，设计了一种儿茶酚修饰的甲基丙烯酸化透明质酸水凝胶（HAMA@CA）。该材料通过光交联形成模量300–1500 Pa可编程网络，精准模拟“新生儿-成年-损伤”脊髓硬度梯度；儿茶酚基团与宿主组织胺基/硫醇共价-氢键双重作用，实现即刻、持久湿黏附，8周后界面强度仍>12 kPa。体内外实验证实，softer HAMA@CA（≈300 Pa）可抑制神经元Piezo1/RhoA/MLC机械传导通路，解除F-肌动弧对微管的“机械刹车”，诱导轴突负向硬度趋避，使再生轴突长度、髓鞘成熟度及突触密度显著提升；在大鼠T9完全断伤模型中，该凝胶将病灶硬度由1300 Pa降至300 Pa，BBB评分由3.3分提高至9.3分，膀胱与后肢功能几近正常。该研究首次实现“力学仿生-湿黏附-机械转导调控”三位一体，为脊髓损伤提供可动态编程的“力学处方”式修复策略。文章于2025年11月12日以《Mussel-Inspired Hydrogel Promotes Axon Regeneration via Piezo1 Modulation and Cytoskeleton Dynamics in Synergy After Spinal Cord Injury》为题发表于《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202517284）。 

研究示意图

（1）脊髓组织在发育中及脊髓损伤后长期硬化

原子力显微镜显示，未损伤大鼠脊髓随发育硬度升高，白质与灰质间无显著差异（图1a-b）；T9完全断伤8周后病灶弹性模量升至约1500 Pa，显著高于正常组织（图1c）。免疫荧光显示损伤中心聚集大量GFAP阳性星形胶质细胞，提示纤维化硬化（图1d）。

图1 脊髓随发育及损伤后慢性硬化：a) 不同年龄未损伤与损伤脊髓H&E图及AFM硬度（n=3），标尺125 µm；b) 白质与灰质硬度分布图（n=3）；c) 伤后8周病灶硬度显著升高（n=3）；d) 伤后8周GFAP免疫荧光图（n=3），标尺100 µm

（2）水凝胶的制备与表征

HAMA@CA水凝胶由甲基丙烯酸化透明质酸与儿茶酚共价偶联而成，¹H NMR在5.7/6.2 ppm及6.75–7.25 ppm处分别确认甲基丙烯酸酯与儿茶酚信号（图2a,b）。0.5-1.5 % w/v四种浓度对应储存模量232-1572 Pa，覆盖新生至损伤脊髓硬度区间（图2h）。SEM示微孔径100-200 µm且通道连续（图2c）；24 h达溶胀平衡，透明质酸酶作用下24 h内完全降解（图2e,f）。离体黏附强度>12 kPa（图2i,k）；PC12细胞培养48 h存活率>90 %（图2l），皮下植入7 d无炎症坏死（图S14c）。

图2 HAMA@CA水凝胶表征。（a）HAMA@CA合成路线；（b）¹H NMR确认结构与儿茶酚信号；（c）SEM示100–200 µm连续微孔；（d）交联前后外观；（e）37 °C 24 h溶胀平衡；（f）透明质酸酶100 U mL⁻¹ 24 h降解曲线；（g,h）频率扫描储能模量232–1572 Pa；（i）离体黏附强度>12 kPa；（j）儿茶酚-组织共价-氢键黏附示意图；（k）脊髓断端即刻黏合照片；（l）PC12 48 h存活率>90 %

（3）神经轴突通过机敏离子通道和细胞骨架动力学对水凝胶刚度的行为适应

300 Pa水凝胶上培养72–120 h的初级皮质神经元轴突长度及分支数显著优于1500 Pa组；1500 Pa基质使星形胶质细胞面积增至3475 µm²、F-肌动蛋白应力纤维明显且GFAP表达升高。随基质硬度增加，神经元与星形胶质细胞的Piezo1表达同步上调（图3d,i）。1500 Pa组RhoA、p-MLC2水平及F-肌动蛋白密度显著高于300 Pa组，生长锥面积缩小、板足减少（图3c-g,k,l；图3m）。Piezo1抑制剂GsMTx-4降低RhoA/p-MLC表达，激动剂Yoda1则相反（图S8）。硬度升高通过Piezo1-RhoA-MLC通路抑制微管延伸，限制轴突生长；300 Pa HAMA@CA水凝胶阻断该通路并促进轴突伸长。

图3 体外实验：HAMA@CA水凝胶通过Piezo1/RhoA/MLC机械信号调控轴突生长。（a）HAMA@CA与原代皮质神经元共培养示意图；（b）Piezo1介导的抑制信号机制图；（c）MAP2/鬼笔环肽双标显示300 Pa组轴突及生长锥F-肌动蛋白更发达，标尺20 µm；（d）48 h Piezo1免疫荧光示1500 Pa表达升高，标尺20 µm；（e）RhoA表达与硬度正相关，标尺20 µm；（f）GAP-43显示300 Pa生长锥面积更大，标尺20 µm；（g）WB示1500 Pa组Piezo1、RhoA、p-MLC上调；（h）机械信号经Piezo1传导致细胞骨架重构模式图；（i-k）Piezo1、RhoA、F-肌动蛋白定量比较；（l）生长锥面积统计；（m）多标共定位证实300 Pa抑制Piezo1-RhoA-MLC轴促进轴突延伸，标尺50 µm，n=3

（4）HAMA@CA 水凝胶改善大鼠病理和脊髓损伤后的功能恢复

8周时，300 Pa水凝胶组脊髓空洞面积显著缩小，腓肠肌纤维截面积0.90±0.03 mm²，高于对照0.60±0.09 mm²（图4b-f）。BBB评分9.33±1.25，优于对照3.33±0.47及1200 Pa组5.67±0.47；足印显示前后足重合度提高（图4g,h）。膀胱壁厚度及胶原排列接近正常，未见对照组显著扩张与胶原沉积（图4i-l）。

图4 300 Pa HAMA@CA凝胶修复T9完全断伤：a) 实验时间轴；b) 4/8周纵向脊髓H&E示空洞缩小；c,d) 空洞面积量化；e,f) 腓肠肌H&E及肌纤维面积保留；g) 8周BBB评分9.33±1.25；h) 足印前后足重合；i–l) 膀胱形态、壁厚与逼尿肌厚度恢复； n=3

（5）RNA 测序研究揭示了 HAMA@CA 水凝胶治疗效果背后的潜在机制

8周脊髓RNA-seq显示，300 Pa HAMA@CA组较对照差异表达基因>800个，其中上调538个、下调362个（图5b,c）。GO分析提示机械响应、钙离子调控及细胞-基质黏附等条目显著下调（图5d）；KEGG富集指向钙信号与ECM-受体交互通路居前（图5e）。GSEA证实 softer 凝胶显著抑制细胞外结构组织及肌动蛋白骨架重构（图5f,g）。

图5 RNA-seq揭示300 Pa HAMA@CA促轴突再生机制：a) 取材示意图；b) 火山图显示538下调/362上调DEG；c) 差异基因热图；d) GO分析机械响应与骨架重构条目下调；e) KEGG钙信号及ECM-受体交互通路富集；f,g) GSEA证实 softer 凝胶抑制机械信号与肌动蛋白动态；数据基于n=3

（6）神经元通过 Piezo1/RhoA/MLC 途径对不同水凝胶聚集体刚度的反应

8周AFM显示损伤区模量1300 Pa，300 Pa水凝胶植入后回降至≈300 Pa（图6c,i）。NeuN+神经元在硬基质侧Piezo1与RhoA荧光强度升高（图6d–g），Western blot验证相同趋势。NeuN总量在300 Pa组增加1.8倍，示神经元向软区负向趋避迁移（图6h,k）。结果确认Piezo1-RhoA-MLC通路介导体内硬度感知并调控轴突再生（图6b）。

图6 体内验证：300 Pa HAMA@CA降低损伤区模量至≈300 Pa（d,i），抑制NeuN+神经元Piezo1与RhoA表达（c,e–g），NeuN数量升高1.8倍（h,k），证实负向趋软迁移及Piezo1-RhoA-MLC轴介导轴突再生（a,b）

（7）通过 HAMA@CA 水凝胶的协同机械调节与粘附能力增强脊髓修复

300 Pa HAMA@CA植入8周后，脊髓断面NF-200⁺轴突贯通病灶，GFAP⁺瘢痕受抑（图7g,k）；MBP/NF-200共标及TEM显示新生轴突被致密髓鞘包裹，G-ratio降至0.66±0.07，低于对照0.86±0.06（图7h,m,p）。SYP/NF-200共定位及TEM证实突触结构增多（图7i,o）。界面黏附强度维持>12 kPa（图7f），主要器官无毒性。

图7 术后8周300 Pa HAMA@CA修复效果：a-b)完全断伤-植入术式图；c-f)AFM界面黏附强度>12 kPa；g)NF200+/GFAP–再生轴突贯穿病灶；h)MBP+/NF200+髓鞘包裹；i)SYP+/NF200+突触增多；j-l)NF200升高、GFAP下降、SYP增加；m-p)TEM示致密髓鞘G-ratio 0.66±0.07并见典型突触