针对上述问题，重庆医科大学沈皆亮、胡侦明团队合作设计并构建了一种具有生理电适应特性的压电水凝胶系统（BF-PR-HA），用于精准调控椎间盘退变中的线粒体自噬功能。研究首先通过超分子自组装制备α-环糊精/聚乙二醇滑动环结构聚轮烷交联剂，将其与柔性HAMA链段协同组装形成应力响应型内摩擦网络；采用水热法合成钛酸铋纳米颗粒（BF），并通过微流控技术将其均匀负载于以聚轮烷为动态交联点的HAMA水凝胶微球中，构建内摩擦网络压电系统。系统表征证实该材料具有优异的机械稳定性和高效的机电响应能力，可在椎间盘动态应力下通过应变依赖性能量耗散特性将电信号输出稳定维持在生理响应阈值范围内。研究进一步通过动态压缩条件下与髓核细胞（NPCs）的共培养实验，评估了BF-PR-HA对细胞凋亡和代谢物表达的调控作用及其分子机制；并通过大鼠尾椎椎间盘退变模型植入实验，结合RNA测序系统验证了该材料在整体组织水平对退变椎间盘的修复效果，为IVDD治疗提供了一种可控、高效的新型干预策略。该文章于2026年1月21日以《Internal-Friction Network Piezoelectric Hydrogel Microspheres Achieve Physiological Electrical Adaptation to Regulate Mitochondrial Autophagy in Degenerative Tissues》为题发表于《Advanced Materials》（DOI:10.1002/adma.202519152）。

示意图. 内摩擦水凝胶微球的制备、力学响应重构及椎间盘内作用机制示意图。（A）微流控液滴生成结合紫外光交联制备单分散内摩擦水凝胶微球；（B）在压缩/循环载荷下，网络滑动与动态键交换调控内摩擦并耗散能量，产生压电/离子信号；（C）椎间盘内注射后，微球恢复局部支撑并激活PINK1-Parkin介导的线粒体自噬以缓解椎间盘退变。

（1）内摩擦网络压电水凝胶的合成与表征

钛酸铋纳米颗粒经水热法合成（图1A），呈菱方钙钛矿结构（R3c空间群），SEM和TEM显示其为半六边形至球形，平均粒径约180 nm（图1B-E），XRD证实晶体结构符合JCPDS No.86-1518标准（图1J）。压电力显微镜检测显示BF颗粒在交变电场下存在压电畴响应，压电常数d33约为10.97 pm V−1（图1F,G）。以聚乙二醇和α-环糊精为原料合成聚轮烷，通过马来酸酐酯化引入可聚合双键，将其与HAMA链段构建内摩擦网络，FTIR显示PR特征峰（1086 cm−1），XPS检测到Fe和Bi（图1H,I）。微流控技术制备的BF-PR-HA复合微球呈多孔球形结构，粒径约200 µm，EDS证实Bi和Fe均匀分布（图1K-M），降解实验显示微球在49天内逐步水解/酶解（图1N）。

图1. 内摩擦网络压电水凝胶的合成与表征。（A）钛酸铋化学式、滑动环结构及HAMA结构示意图；（B）钛酸铋纳米颗粒的扫描电镜图像；（C,D）钛酸铋的透射电镜图像及能谱元素分析；（E）钛酸铋的动态光散射粒径分布分析；（F,G）钛酸铋的原子力显微镜形貌图像、压电滞回曲线及特征蝴蝶曲线；（H）BF-PR-HA的X射线光电子能谱检测；（I）BF-PR-HA的红外光谱检测；（J）BF及BF-PR-HA的X射线衍射检测；（K）BF-PR-HA复合微球的光学显微镜及扫描电镜表征；（L）体视显微镜测量BF-PR-HA微球的粒径分布；（M）BF-PR-HA微球的能谱元素 mapping及成分分析；（N）延时光学显微镜记录BF-PR-HA微球的降解动力学。

（2）内摩擦网络压电水凝胶的机电转换性能评价

万能机械试验机评估显示，BF-PR压缩模量和强度达163 kPa和32.6 kJ/m³，压缩速率从50 mm/min增至200 mm/min时性能无明显变化（图2A-D）。循环压缩测试（压缩速率10 mm/min，样品直径12 mm、高度20 mm）显示，应变从2%增至10%时，BF-PR总能量和耗散能量分别从6.8和1.6 kJ/m³增至126.6和61.5 kJ/m³，能量耗散率从23.5%升至48.6%（图2E-G）；应变从20%增至70%时，总能量和耗散能量从425.2和201.8 J/m³增至11510和7830 J/m³，耗散率从48%升至68%，同一样品小应变和大应变的平均耗散率分别为31.6%和63.5%（图2H-M）。机电耦合测试显示，纯HAMA水凝胶无电信号，BF-PR在0.3 MPa（低频）下开路电压190 mV、短路电流10.11 µA，为BF的1.4倍；1.0 MPa（高频）下BF电压429 mV、电流12.34 µA，而BF-PR电压降至221 mV，且在不同应变下能维持稳定生理电信号（图2N-Q）。

图2. 内摩擦压电水凝胶的力电转换性能评价。（A）水凝胶样品机械性能表征与电信号输出同步检测的实验装置示意图；（B-D）不同配方水凝胶的代表性拉伸应力-应变曲线及杨氏模量测定；（E-G）低幅循环形变下水凝胶的能量耗散曲线；（H-J）高应变机械载荷条件下的能量耗散特性；（K-M）不同应变幅值下的拉伸及疲劳测试曲线；（N-Q）动态机械刺激下水凝胶开路电压及短路电流产生的定量分析。

（3）内摩擦网络压电水凝胶的生物相容性及其对髓核细胞增殖和凋亡的影响

无应力条件下，BF、PR、BF-PR与髓核细胞共培养，活死染色及细胞毒性检测显示各组对细胞无显著毒性（图3B-D）。动态压缩模拟力学环境，设定适度应力（MS：0.3 MPa、0.5 Hz）和过载应力（OS：1.0 MPa、0.5 Hz），分别与BF、PR、BF-PR组合共培养（图3A）。CCK-8检测显示，MS、MS-BF、MS-PR、MS-BF-PR组轻微促进细胞增殖但无统计学差异（p>0.05）；OS显著抑制增殖（p<0.01），OS-BF、OS-PR、OS-BF-PR均缓解该抑制作用，OS-BF-PR效果优于OS-BF和OS-PR（p<0.05），OS-BF与OS-PR无显著差异（p>0.05）（图3I）。流式细胞术分析显示，MS及各组合对细胞凋亡影响较小（p>0.05），OS显著增加凋亡率（p<0.01），OS-BF、OS-PR、OS-BF-PR均逆转该效应，OS-BF-PR抗凋亡效果最强，与OS-BF、OS-PR差异显著（p<0.05），OS-BF与OS-PR效果相近（p>0.05）（图3E-H）。后续实验聚焦于OS及其水凝胶复合组。

图3. 内摩擦网络压电水凝胶的生物相容性及其对髓核细胞增殖与凋亡的影响。（A）人髓核细胞与内摩擦网络压电水凝胶构建体共培养系统示意图；（B,C）与内摩擦网络压电水凝胶共培养后的活/死荧光染色评价；（D）内摩擦网络压电水凝胶、适度刺激（MS）及过载应力（OS）处理后的CCK-8比色法细胞活力检测及定量分析；（E,F）Annexin V-FITC/碘化丙啶（PI）双染流式细胞术细胞凋亡分析及内摩擦网络压电水凝胶、MS、OS单独及联合处理的统计学评价；（G,H）JC-1荧光探针线粒体膜电位评估及内摩擦网络压电水凝胶、MS、OS单独及联合干预后的流式定量分析；（I）MS和OS条件下三种水凝胶微球（BF、PR和BF-PR）处理后髓核细胞活力的CCK-8定量分析（n=3，p<0.05，p<0.01，p<0.001）。

（4）内摩擦网络压电水凝胶微球对髓核细胞ECM和凋亡标志物表达的影响

免疫荧光显示OS显著降低COL2A1表达、升高MMP13水平（p<0.01），BF、PR、BF-PR均逆转该变化，BF-PR在恢复COL2A1和抑制MMP13方面效果更佳（p<0.05）（图4A-D）。RT-qPCR和蛋白质印迹证实OS下调COL2A1、聚集蛋白聚糖和Bcl-2表达，上调ADAMTS5、MMP3、MMP13、Bax和cleaved caspase-3水平（与对照组相比p<0.01）；BF、PR、BF-PR处理显著逆转这些变化（与OS相比p<0.01），且流式细胞术显示BF-PR显著降低OS诱导的ROS积累。BF-PR在增强保护性标志物（COL2A1、聚集蛋白聚糖、Bcl-2）表达和抑制退变及凋亡标志物（ADAMTS5、MMP3、MMP13、Bax、cleaved caspase-3）方面优于单独BF或PR（p<0.05）（图4E-R）。

图4. 内摩擦网络压电水凝胶微球对髓核细胞细胞外基质（ECM）及凋亡标志物表达的影响。（A-D）与内摩擦网络压电水凝胶微球共培养后人髓核细胞中聚集蛋白聚糖和基质金属蛋白酶-13（MMP13）表达的免疫荧光显微镜观察及荧光强度定量分析；（E-K）与内摩擦网络压电水凝胶微球共培养后髓核细胞中ECM相关及凋亡相关基因表达谱的实时定量聚合酶链式反应（RT-qPCR）检测；（L-R）内摩擦网络压电水凝胶微球处理后髓核细胞中ECM相关及凋亡蛋白标志物的蛋白质印迹免疫检测及相应密度定量分析（n=3，*p<0.05，**p<0.01）。

（5）内摩擦网络压电水凝胶通过调节线粒体自噬改善髓核细胞退化

蛋白质印迹显示OS显著上调MMP3、MMP13和p62表达，下调COL2A1、聚集蛋白聚糖、PINK1、Parkin和LC3-II/I表达（p<0.05），提示OS抑制PINK1/Parkin通路介导的线粒体自噬（图5A-B）。mRFP-GFP-LC3转染、JC-1染色及电镜结果表明OS破坏线粒体质量控制及自噬体-溶酶体功能：JC-1染色显示OS组线粒体膜电位显著降低，mRFP-GFP-LC3成像显示OS处理细胞黄色斑点明显积累（图5C），透射电镜显示肿胀损伤线粒体及降解性自噬溶酶体减少。组织蛋白酶B（CTSB）和组织蛋白酶D（CTSD）活性在OS组显著降低（图5D,E），LC3-LAMP1共定位及Tom20-LAMP1共定位在OS条件下显著减少（图5F-I）。BF-PR处理后，PINK1/Parkin通路相关蛋白、mRFP-GFP-LC3报告信号及溶酶体蛋白酶活性恢复至对照水平，LC3-LAMP1和Tom20-LAMP1共定位增加，Parkin siRNA共处理显著削弱该保护作用。

图5. 内摩擦网络压电水凝胶通过调控线粒体自噬改善髓核细胞退变。（A,B）细胞外基质（ECM）相关及线粒体自噬相关蛋白标志物的蛋白质印迹免疫检测及相应密度定量分析；（C）串联荧光GFP-RFP-LC3共标记用于自噬流评估；（D,E）组织蛋白酶B（CTSB）和组织蛋白酶D（CTSD）蛋白水解功能的酶活性测定；（F,G）基于共聚焦显微镜的微管相关蛋白1A/1B-轻链3（LC3）与溶酶体相关膜蛋白1（LAMP1）共定位分析；（H,I）线粒体外膜转位酶20（TOM20）与LAMP1免疫荧光共定位评估用于线粒体自噬评价（n=3，*p<0.05，**p<0.01）。

（6）在OS条件下，对内摩擦网络压电水凝胶微球治疗大鼠尾椎间盘退变的体内疗效进行评价

大鼠尾椎IVDD模型中，建模后第1天局部注射水凝胶微球（对照组注射PBS），于1、4、8周通过X线和MR影像评估退变程度（图6A-E）。OS组DHI和髓核含水量随时间显著降低，8周时严重下降；BF、PR、BF-PR治疗组均显著改善该指标（p<0.05），其中BF-PR组修复效果更显著（p<0.01），且BF和PR组效果随时间减弱，BF-PR组通过内摩擦网络持续调控维持良好水平（p<0.01）。改良Pfirrmann分级显示BF-PR组退变程度显著低于OS组（p<0.01），BF和PR组仅于1周时显示有限改善（图6F）。

H&E和番红O-固绿染色显示OS组椎间盘结构严重损伤，组织学退变分级显著升高（p<0.01）（图7A-C）：1周时各治疗组退变减缓；4周时BF和PR组退变明显加重，BF-PR组因内摩擦网络自适应调节仅出现轻度退变；8周时BF和PR组退变显著，BF-PR组仍维持轻度退变状态。免疫荧光和免疫组化显示（图8A-E）：1周时各治疗组COL2A1和聚集蛋白聚糖表达均高于OS组（p<0.05）；4周和8周时BF和PR组表达明显下降，BF-PR组维持稳定表达，显著高于其他各组（p<0.05）。

体内实验与体外数据一致，BF-PR在缓解OS诱导的IVDD方面显示出显著且持久的疗效。转录组测序分析显示BF-PR显著调控线粒体功能、细胞代谢和凋亡相关通路：PCA显示OS与OS-BF-PR组基因表达模式明显分离（图9A）；火山图和热图显示BF-PR组保护性基因上调、损伤相关基因下调（图9B,C）；GO富集分析揭示线粒体定位、ATP酶活性、蛋白激酶活性和自噬等关键生物学过程的调控（图9D）；GSEA显示BF-PR显著恢复氧化磷酸化和线粒体质子转运ATP合酶复合体功能（图9E,F）；关键基因表达证实BF-PR上调PINK1、BNIP3和TFDP1表达，抑制CASP3和TIMOC1表达（图9G），提示其通过内摩擦网络激活PINK1/Parkin介导的线粒体自噬、抑制凋亡并恢复能量代谢实现生理电适应和保护作用。

图6. 内摩擦网络水凝胶微球治疗椎间盘退变的影像学分析。（A）大鼠椎间盘压缩载荷实验模型示意图；（B）干预后1周（1w）、4周（4w）及8周（8w）所有实验组系列X线放射成像结果；（C）治疗后1w、4w及8w所有实验组的磁共振成像（MRI）结果；（D）各实验组在相应时间点椎间盘高度指数（DHI）的百分比变化；（E）指定时间间隔所有实验组MRI评估平均灰度值的定量分析；（F）治疗后1w、4w及8w所有实验组椎间盘退变严重程度的Pfirrmann分级分类。

图7. 内摩擦网络水凝胶微球治疗椎间盘退变的组织学分析。（A）治疗后1w、4w及8w所有实验组的苏木精-伊红（H&E）染色结果，展示髓核（NP）和纤维环（AF）结构的形态学改变；（B）干预后1w、4w及8w所有实验组的番红O-固绿（SO）染色结果，显示髓核基质组成及胶原纤维分布模式；（C）半定量组织学评分热图评估：髓核形态、髓核细胞密度、髓核-纤维环界面完整性、纤维环结构组织及纤维环细胞密度。

图8. 内摩擦网络水凝胶微球治疗椎间盘退变的免疫组织化学及免疫荧光分析。（A）治疗后1w、4w及8w所有实验组的聚集蛋白聚糖免疫组织化学染色；（B）干预后1w、4w及8w所有实验组的II型胶原（Col2）免疫荧光染色；（C）各实验组在相应时间点Col2阳性区域百分比的定量分析；（D）指定时间间隔所有实验组聚集蛋白聚糖阳性区域百分比的定量评估；（E）不同时间点所有实验组的比较组织学分级评分。

图9. 通过生物信息学分析探索生物材料作用的潜在机制。（A）主成分分析（PCA）散点图可视化；（B）实验条件间差异表达基因的火山图；（C）前50个上调和下调基因表达谱的层次聚类热图；（D）基因本体论（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析的柱状图展示；（E,F）生物材料处理组与对照组比较的基因集富集分析（GSEA）结果；（G）箱线图分析展示线粒体自噬和凋亡激活通路关键基因在组间差异表达模式。