针对上述问题，西南交通大学鲁雄/谢超鸣与苏州大学李斌/林俊团队，联合报道了一种可注射的生物粘合-润滑水凝胶，含有多巴胺修饰透明质酸（DA-HA）网络，即磺酸透明质酸（SO3-HA）网络以及多巴胺杂交的石墨烯量子点支持的铜单原子纳米酶（DAGQD@Cu@KGN SAN），用于恢复类风湿性关节炎软骨润滑和修复磨损软骨。体内实验结果表明，这种注射型生物粘合剂和润滑水凝胶不仅能防止软骨的磨损，在早期类风湿关节炎患者中提供长期抗氧化和抗炎效果，还能修复晚期类风湿关节炎的受损软骨。这种生物粘合剂和润滑水凝胶为类风湿关节炎治疗提供了潜在的全周期策略。该文章于2025年3月20日以《Injectable bioadhesive and lubricating hydrogel with polyphenol mediated single atom nanozyme for rheumatoid arthritis therapy》为题发表于《Nature Communications》（10.1038/s41467-025-58059-z）。

图1.水凝胶合成与RA治疗机制示意图。（A）DAGQD@Cu SAN与DAGQD@Cu@KGN SAN的合成路径；（B）DAGQD@Cu@KGN-SO₃⁻/DA-HA水凝胶的构建过程；（C）水凝胶在RA治疗中的多功能作用：I关节腔内原位自固化；II-III润滑与粘附性能；IV SAN介导的ROS清除与抗炎过程；V KGN释放促进BMSCs分化为软骨细胞。

（1）SAN的表征和活性氧清除活性

DAGQD呈现为约5 nm的单色散黑点，晶格间距为0.21 nm。与铜整合后，DAGQD@Cu SAN形成5-10 nm的单色散球形（图2A），体积略有增加，因铜与儿茶酚的螯合作用所致。DAGQD@Cu@KGN SAN的尺寸与DAGQD@Cu相近（图2B），晶格间距保持在0.25 nm，KGN的嫁接未改变其结构。HAADF-STEM成像显示DAGQD@Cu SAN内的铜单原子分布（图2C）。紫外-可见光吸收光谱在315 nm处有明显特征吸收峰（图2D）。XPS结果显示DAGQD@Cu SAN中285 eV及288 eV的特征峰分别对应儿茶酚基和醌基的C-O键及C=O键（图2E）。Cu2p频谱显示932.2 eV和952.0 eV的峰值归因于Cu0/Cu（I）状态，而933.9 eV和953.5 eV则表明存在Cu（II）状态（图2F），确认KGN成功引入DAGQD@Cu SAN。DAGQD@Cu@KGN SAN在大肠杆菌中表现出高的类酶活性，有效清除活性氧（图2G-I）。铜原子催化O₂−、·OH和H₂O₂转化为无毒的H₂O和O₂，增强了系统清除活性氧的能力（图2J）。

图2.单原子纳米酶（SAN）表征。（A）DAGQD@Cu SAN与（B）DAGQD@Cu@KGN SAN的透射电镜图像；（C）高角度环形暗场扫描透射电镜图像；（D）UV-Vis光谱；（E-F）XPS分析结果：C 1s（E）与Cu 2p（F）谱图；（G-I）纳米酶的羟基自由基清除能力（G）、SOD活性（H）与CAT活性（I）检测结果；（J）DAGQD@Cu SAN清除ROS的机制。

（2）SAN诱导的水凝胶凝胶化、体外润滑及水凝胶的附着

DAGQD@Cu@KGN SAN通过-SH与Cu之间的金属配位键迅速引发水凝胶的凝胶化（图3A）。将其与SO³⁻/DA-HA前体溶液混合后，通过注射器注入培养皿，形成细丝状条带（图3B）。流变测量结果显示，SAN浓度可控调节凝胶化时间，1 mg/mL时达到21 s（图3C）。该水凝胶展现出的自愈能力，适用于频繁操作的关节应用（图3F）。润滑性和生物附着性显著优于其他类型，摩擦系数（COF）为0.028，低于铜和SH-HA水凝胶。随着DA-HA比例增加，润滑性下降，但在SO³⁻-HA与DA-HA最佳比例下，粘附强度最高（图3I）。附着强度在SAN浓度从0.2-1.0 mg/mL时增加，1.0 mg/mL时表现最佳，2.0 mg/mL时降低（图3J）。水凝胶有效附着于大鼠关节表面，注射后5 min内保持原样，而对照组出现褪色（图3K）。观察水凝胶与软骨表面无缝隙，显示良好附着力（图3L，M）。润滑效果归因于SO³⁻的添加，减少摩擦并增强水合效应。生物粘结性源自模仿贻贝附着机制，通过氧化还原反应维持儿茶酚基团的稳定性（图3N）。水凝胶的抗压强度和机械性能因DAGQD@Cu@KGN SAN的纳米增强效应而增强（图3O-P）。

图3.水凝胶性能表征。（A）SAN诱导水凝胶固化过程；（B）水凝胶的可注射性展示（空气中形成“HY”字样）；（C）流变学测试：凝胶时间与SAN浓度关系；（D）兔膝关节缺损区原位固化过程；（E）自愈合性能（红蓝水凝胶融合实验）；（F）动态配位键介导的自愈合机制；（G）不同水凝胶的摩擦系数对比；（H-I）SO₃^-/DA-HA比例对摩擦系数（H）与粘附强度（I）的影响；（J）SAN浓度对粘附强度的调控；（K-M）水凝胶与软骨界面结合形貌（解剖图、扫描电镜与金相显微图像）；（N）仿贻贝粘附机制示意图；（O-P）SAN浓度对水凝胶压缩强度（O）与模量（P）的影响。

（3）体外生物学性能

DAGQD@Cu-SO³⁻/DA-HA水凝胶展现出优异的CAT样活性，荧光强度显示其对ROS的清除能力显著，处理组荧光强度下降（图4A，B），不仅因为水凝胶上有丰富的儿茶酚基团，还因为单原子Cu表现出多种ROS清除和酶催化活性。LPS组表现高强烈的荧光（图4C，D）。并表现出最佳抗炎效果，通过抑制M1巨噬细胞极化和促进M2激活（图4E，F）。此外，评估了IL-10的相对表达水平，结果显示DAGQD@Cu-SO³⁻/DA-HA水凝胶基团显著上调IL-10表达（图4G）。DAGQD@Cu-SO³⁻/DA-HA水凝胶在BMSC增殖方面也显示出良好特性，细胞数量在3天后超过其他组别（图4H），形态上，BMSC在该水凝胶表面分布均匀且附着斑点较大（图4I）。在分化相关基因表达上，KGN的加入使Sox9、Acan、Col II及Col X的表达显著提高（图4J-M），表明该水凝胶在促进BMSC向软骨细胞分化方面的有效性。这些结果表明DAGQD@Cu-SO³⁻/DA-HA水凝胶具备良好的生物相容性和细胞亲和力。

图4.体外生物学性能。（A-B）细胞内氧水平（RDPP荧光成像与流式分析）；（C-D）巨噬细胞内ROS清除效果；（E-G）ELISA检测炎性因子TNF-α（E）、IL-6（F）与抗炎因子IL-10（G）；（H）BMSCs在不同水凝胶上的增殖（CCK-8测试）；（I）BMSCs粘附形态（荧光染色）；（J-M）软骨分化标志物（Sox9、Acan、Col II、Col X）的基因表达水平。

（4）RNA测序分析

差异基因分析显示，第2组与第1组之间有785个差异基因（图5A），第3组与第1组之间有1259个差异基因（图5B），两组差异基因中有365个基因相同（图5C）。进一步分析第3组与第1组之间的894个差异基因，GO富集分析表明这些基因在氧化应激、自噬和组织修复等方面显著富集（图5D）。GSEA分析结果显示，该水凝胶促进FOXO通路，抑制溶酶体、破骨细胞分化和TNF途径（图5E），其中FOXO途径与抗氧化相关，溶酶体与自噬相关，破骨细胞分化与软骨损伤相关，TNF途径与炎症相关。热力图显示，DAGQD@Cu-SO3−/DA-HA水凝胶显著促进抗氧化基因、自噬相关基因及修复基因的表达，同时抑制促炎因子的表达（图5F）。因此，DAGQD@Cu-SO³⁻/DA-HA水凝胶通过抗氧化作用降低细胞氧化应激水平、抑制炎症并促进组织再生，为软骨缺损修复提供了潜在机制（图5G）。

图5. RNA测序分析。（A-B）差异基因火山图（Group 2 vs. Group 1与Group 3 vs. Group 1）；（C）差异基因韦恩图；（D）GO功能富集分析（抗氧化、自噬、修复相关通路）；（E）GSEA通路分析：FoxO信号、溶酶体、破骨细胞分化与TNF通路；（F）热图展示抗氧化、自噬、修复与炎症相关基因表达；（G）水凝胶作用机制整合示意图。

（5）水凝胶预防类风湿性关节炎大鼠软骨磨损

DAGQD@Cu@KGN-SO³⁻/DA-HA水凝胶在CIA大鼠模型中表现出卓越的抗炎和软骨修复能力，CIA大鼠模型是通过二级免疫建立的（图6A）。显微CT显示，PBS组膝关节出现明显炎症及软骨下骨破坏（图6B）。与PBS和SO³⁻/DA-HA溶液组相比，DAGQD@Cu-SO³⁻/DA-HA水凝胶组在软骨下骨损伤上表现出更好保护（图6B）。HE染色结果表明，PBS处理组关节有大量炎症细胞浸润和软骨层厚度显著减少（图6C，6D）。免疫组化分析显示，PBS组Sox9、Col II和Acan蛋白表达显著低于正常大鼠，而DAGQD@Cu@KGN-SO³⁻/DA-HA水凝胶组的表达水平最高（图6E-J）。M1相关炎症因子TNF-α和IL-6在PBS组中表达最高，DAGQD@Cu-SO³⁻/DA-HA水凝胶组显著降低这些炎症因子，同时促进M2相关抗炎因子IL-10的表达（图6K-M）。以上结果表明，DAGQD@Cu@KGN-SO³⁻/DA-HA水凝胶有效缓解类风湿关节炎引起的炎症与软骨损伤，具备良好的生物相容性与治疗潜力。

图6.早期RA大鼠治疗效果。（A）实验流程示意图；（B）Micro-CT三维重建显示关节骨破坏程度；（C-D）组织学染色（H&E与Safranin-O）评估软骨完整性；（E-J）免疫组化与定量分析：Sox9、Col II、Acan表达水平；（K-M）血清炎性因子（IL-6、IL-1β、IFN-γ）浓度检测。

（6）水凝胶促进类风湿兔软骨重建

建立模型后，PBS组的骨软骨缺损严重腐蚀，炎症扩散（图7A，7B）。经过8周治疗，DAGQD@Cu@KGN-SO³⁻/DA-HA水凝胶显著抑制炎症并促进缺损修复，微型CT和组织病理学分析确认该水凝胶在缺陷修复和炎症抑制方面最为有效（图7C-E）。缺损部位的骨体积与总体积比（BV/TV）以及小梁数（Tb.N）在该组有逐步改善（图7F，7G），组织学滑膜炎评分和OARSI评分也显著下降（图7H，7I）。新形成组织的机械测试显示，DAGQD@Cu@KGN-SO³⁻/DA-HA水凝胶组的变形抵抗性和模量显著高于其他处理组（图7J，7K）。DAGQD@Cu@KGN-SO³⁻/DA-HA水凝胶在重建RA兔子严重软骨缺损方面表现出显著能力。

图7.晚期RA兔软骨修复效果。（A）实验流程示意图；（B）关节缺损区宏观观察（黑色箭头标记缺损位点）；（C）Micro-CT分析骨再生（BV/TV与骨小梁数量）；（D-E）组织学染色（Safranin-O）评估新生软骨基质；（F-G）骨体积分数（BV/TV）与骨小梁数量（Tb.N）定量；（H-I）组织学评分（HSS与OARSI评分）；（J-K）纳米压痕测试：新生组织的抗变形能力与弹性模量。