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针对上述问题，南方医科大学彭峰团队设计并构建了一种负载芍药苷（Pae）的具有强骨粘附性和湿环境润滑性的可注射水凝胶（AdHy@Pae），用于炎症相关性关节退变的综合治疗。该水凝胶顺利获得紫外光引发的2-羟基乙基甲基丙烯酸酯（HEMA）自由基聚合形成网络，引入聚谷氨酸钠（γ-PGA-Na）和磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯（SMBA）赋予水凝胶适度的界面粘附性，而Pae的加入则顺利获得增强界面水合作用和分子流动性进一步强化了粘附性和润滑性。该体系实现了机械增强与药理调控、ROS清除的协同作用，顺利获得线粒体保护显著改善软骨完整性，为炎症性骨关节炎疾病的精准治疗给予了一种有前景的策略。该文章于2026年2月26日以《A dual-functional hydrogel integrating adhesive and lubricating interfaces for mitochondrial protection–Driven cartilage regeneration》为题发表于《Bioactive Materials》（DOI：10.1016/j.bioactmat.2026.02.051）。

示意图. AdHy@Pae 的制备及其顺利获得线粒体保护进行软骨修复的示意图

（1）芍药苷负载粘合润滑水凝胶（AdHy@Pae）的合成与表征

AdHy@Pae水凝胶在紫外光照射下由HEMA、SMBA、γ-PGA-Na和Pae组成的前体溶液快速形成自支撑三维网络（图1A）。XRD显示AdHy和AdHy@Pae组衍射峰持续左移，表明SMBA和γ-PGA-Na的引入降低了交联密度（图1B）。FTIR在~1720 cm⁻¹处出现HEMA酯基C=O伸缩振动特征峰，1550–1600 cm⁻¹为γ-PGA-Na的COO⁻不对称伸缩振动，1640–1660 cm⁻¹为SMBA和γ-PGA-Na的酰胺I带，1050–1100 cm⁻¹为Pae的C–O–C糖苷键，3200–3600 cm⁻¹处宽化的O–H带表明Pae多羟基与聚合物基质形成氢键相互作用（图1C）。SEM显示三种水凝胶均呈互联多孔结构，AdHy@Pae孔隙最大，平均孔径显著大于Hy和AdHy（图1D-E）。Pae的引入降低了水接触角，有利于界面能降低从而促进润滑（图1F）。摩擦实验表明SMBA和γ-PGA-Na增加了静/动摩擦系数，Pae进一步顺利获得羟基氢键作用增强该效应；PBS存在下AdHy@Pae粘附性能快速下降，摩擦力降至0.05 N（无PBS时~0.25 N），归因于Pae羟基的快速水合能力，实现粘附与润滑的动态平衡（图1H-I）。

流变学显示Hy储能模量（G′）仅数百帕，两性离子单体适度增加粘弹性，Pae进一步显著提高G′，接近天然软骨模量范围（图2A）。搭接剪切、剥离强度和界面韧性测试表明Pae可增强粘附强度（图2B-D）。宏观上AdHy@Pae可牢固粘附于玻璃、聚丙烯、木材、橡胶和泡沫等多种底物，弯曲、扭曲、冲洗及浸水1 h后仍保持紧密附着，50%和70%拉伸应变下保持完整陆续在形状，卸载后基本恢复原长（图2E）。SD大鼠膝关节体外实验显示，AdHy@Pae在PBS浸泡及500次屈伸循环后仍保持优异的软骨表面覆盖和完整性（图2F）。抗氧化实验显示，AdHy@Pae在MB-Fenton体系中•OH清除能力最强（图2G），ABTS•+清除效果最佳（图2H），超氧阴离子（O₂•⁻）清除显著（图2I），H₂O₂清除率最高（图2J）。

图1. 水凝胶的凝胶化及理化表征。（A）AdHy@Pae前体溶液在紫外光照射前后的照片；（B）Hy、AdHy和AdHy@Pae水凝胶的XRD图谱；（C）Hy、AdHy和AdHy@Pae水凝胶的FTIR光谱；（D）冻干Hy、AdHy和AdHy@Pae水凝胶在不同放大倍数下的SEM图像及（E）相应的平均孔径；（F）Hy、AdHy和AdHy@Pae水凝胶的代表性水接触角图像及（G）定量结果；（H）摩擦系数的定量结果，μs表示静摩擦系数，μd表示动摩擦系数，Catri表示软骨；（I）摩擦力的定量结果。

图2. 水凝胶的粘附性、形变性和抗氧化性能。（A）Hy、AdHy和AdHy@Pae的储能模量和损耗模量；（B）界面韧性、（C）剥离强度和（D）搭接剪切强度；（E）水凝胶对不同底物的粘附、各种操作下的形变性及拉伸性照片；（F）Hy、AdHy和AdHy@Pae在关节上的体外粘附性能（PBS浸泡前后及500次屈伸循环后）；（G）•OH清除、（H）ABTS•+自由基清除和（I）超氧阴离子（O2•-）清除的紫外-可见光谱；（J）H2O2清除率。

（2）AdHy@Pae的体外生物相容性和细胞保护性能

AdHy@Pae在1、3、7天孵育期间表现出优异的生物相容性和可忽略的细胞毒性，活/死染色显示该组细胞保持完整膜结构和代谢活性，而死细胞比例不足LPS组的一半。EdU掺入实验显示LPS暴露导致EdU阳性核急剧减少，AdHy@Pae处理有效恢复增殖活性，增殖细胞比例显著高于LPS和AdHy组（图3A-B）。TUNEL分析显示LPS诱导后核碎裂广泛，AdHy@Pae处理显著减少凋亡核，凋亡细胞数较LPS组减少70%以上（图3C-D）。流式细胞术显示LPS刺激后活细胞比例降至约44%，晚期凋亡和坏死细胞超过50%，AdHy@Pae保存了85%以上活细胞并将晚期凋亡降至约10%（图3E-F）。

图3. AdHy@Pae的体外生物相容性和细胞保护评价。（A）各组软骨细胞的EdU染色图像；（B）EdU阳性细胞定量；（C）显示凋亡细胞的TUNEL染色图像；（D）TUNEL阳性细胞定量分析；（E）凋亡流式细胞术分析；（F）凋亡细胞比例统计结果。

（3）AdHy@Pae 的体外抗氧化和线粒体稳态调节作用

流式细胞术显示LPS刺激显著阻滞细胞于G0/G1期，S期和G2/M期大幅减少，AdHy@Pae处理显著增加S期细胞比例并恢复有丝分裂活性，几乎使细胞周期分布正常化（图4A-D）。JC-1染色显示对照组线粒体极化良好，LPS处理后绿色单体荧光急剧增加提示线粒体去极化，AdHy@Pae处理显著降低绿色荧光，恢复线粒体膜电位（ΔΨm）（图4E-F）。DCFH-DA探针显示LPS暴露显著升高ROS荧光强度，AdHy@Pae处理将ROS信号降至接近基线水平（图4G）。

图4. AdHy@Pae的体外抗氧化和线粒体稳态调控作用。（A）细胞周期流式分析；（B-D）G0/G1、S和G2/M期细胞百分比的定量统计；（E）JC-1荧光染色；（F）JC-1红/绿荧光比值（ΔΨm）定量分析；（G）DCFH-DA探针检测细胞内ROS的流式分析。数据以均值±标准差表示（n=3，P<0.05，P<0.01，P<0.001，****P<0.0001）。

（4）AdHy@Pae 的软骨保护作用

免疫荧光染色显示对照组COL2A1和SOX9荧光信号强，LPS刺激显著减弱这些信号，同时MMP9和ADAMTS5红色荧光强度显著增强；AdHy@Pae处理使COL2A1和SOX9水平恢复至接近对照组，并显著降低MMP9和ADAMTS5（图5A-B）。qPCR和Western blot（图6）显示，LPS刺激显著下调软骨特异性结构蛋白COL2A1、ACAN、COMP及转录因子SOX9表达，AdHy@Pae处理有效恢复其表达；LPS诱导基质降解酶MMP13、ADAMTS5和ADAMTS1显著上调，AdHy@Pae显著抑制其过表达。此外，AdHy@Pae恢复抗氧化标志物NRF2和HO-1表达，增加BCL-2并降低Bax和Caspase-3表达。

图5. AdHy@Pae对LPS诱导软骨细胞细胞外基质代谢的调控作用。（A）显示各处理组COL2A1、SOX9、MMP9和ADAMTS5表达的代表性免疫荧光图像及（B）相应定量分析。数据以均值±标准差表示（n=3，P<0.05，P<0.01，P<0.001，****P<0.0001）。

图6. AdHy@Pae处理后软骨相关蛋白的表达分析。（A）显示各组ECM合成相关蛋白（COL2A1、ACAN、COMP和SOX9）及抗氧化标志物（NRF2和HO-1）的代表性Western blot图像；（B）基质降解酶（MMP13、ADAMTS5、ADAMTS1）和凋亡相关蛋白（BCL-2、Bax和Caspase-3）的定量分析。数据以均值±标准差表示（n=3；P<0.05，P<0.01，P<0.001，****P<0.0001）。

（5）AdHy@Pae 在软骨保护和骨关节炎再生方面的体内评价

为验证细胞水平效应在体内的保留，采用DMM小鼠模型评估AdHy@Pae的软骨保护和骨再生潜力（图7A）。水凝胶经液氮低温研磨成粉，PBS部分复水后具有良好的可注射性，10分钟内重新形成凝聚块状水凝胶。治疗2周后，Micro-CT显示Hy和AdHy处理适度改善骨完整性，AdHy@Pae显著保留关节结构并维持致密有序骨小梁；HE染色证实AdHy@Pae对软骨形态和细胞外基质完整性的保护作用。治疗4周后，PBS组出现严重软骨下骨破坏和骨小梁稀疏，Hy和AdHy处理适度改善但未恢复正常骨小梁陆续在性，AdHy@Pae显著保留关节结构并维持致密排列骨小梁；定量分析显示AdHy@Pae显著增加骨小梁数量（Tb.N）、骨密度（BMD）和骨体积分数（BV/TV）至接近假手术水平（图7B-C）。组织学染色进一步验证AdHy@Pae对软骨形态和ECM完整性的保护作用：H&E染色显示PBS组软骨表面粗糙、软骨细胞排列紊乱伴深裂隙，AdHy@Pae组呈现光滑关节面、完整潮标和柱状软骨细胞排列；SO-FG和TB染色显示AdHy@Pae显著恢复蛋白聚糖含量并维持ECM陆续在性；OARSI和Mankin评分定量显示AdHy@Pae组最低（降低>60%）（图7D-E）。IHC染色显示PBS组软骨合成代谢标志物COL2A1和SOX9显著降低，分解代谢酶MMP3和ADAMTS1高度上调，AdHy@Pae组COL2A1和SOX9染色强烈且MMP3和ADAMTS1信号减弱，接近假手术组水平（图8A-B）。TEM显示PBS组线粒体明显肿胀、嵴断裂和广泛空泡化，AdHy@Pae组软骨细胞呈现完整线粒体，嵴致密清晰、膜陆续在，与假手术组相似（图8C）。

图7. AdHy@Pae治疗4周后对骨关节炎软骨修复的体内疗效评价。（A）DMM诱导OA模型及关节腔内给药的示意图；（B）各组膝关节代表性Micro-CT图像；（C）骨微结构参数（Tb.N、BMD和BV/TV）定量分析；（D）H&E、SO-FG和TB关节软骨组织学染色评估软骨完整性和蛋白聚糖含量；（E）OARSI和Mankin评分定量评估软骨退变。数据以均值±标准差表示（n=3，P<0.05，P<0.01，P<0.001，****P<0.0001）。

图8. AdHy@Pae治疗4周后软骨保护和线粒体调控作用的体内验证。（A）各组（Sham、PBS、Hy、AdHy和AdHy@Pae）软骨切片COL2A1、SOX9、MMP3和ADAMTS1的代表性免疫组织化学染色；（B）免疫组织化学染色强度定量分析显示合成代谢（COL2A1、SOX9）和分解代谢（MMP3、ADAMTS1）标志物的相对表达水平；（C）软骨细胞TEM图像显示各组线粒体超微结构，高倍视野（下图）显示嵴完整性和膜形态。数据以均值±标准差表示（n=3）；P<0.01，*P<0.001，**P<0.0001。

（6）转录组分析证实AdHy@Pae在OA软骨中发挥线粒体靶向抗炎调节作用

采用差异基因表达分析、GSEA和WGCNA整合转录组策略揭示AdHy@Pae治疗效应的分子机制。OA与健康软骨差异表达分析显示44个上调和6个下调基因，GSEA显示OA相关DEGs显著富集于IL-17、TNF和NF-κB信号通路及类风湿关节炎和趋化因子信号通路。WGCNA构建加权基因共表达网络，最优软阈值β=5，动态树切割将转录组分为35个共表达模块，MEmagenta模块与OA进展强正相关，MEbrown4模块显著负相关（|r|>0.8，P<0.05），含1512个推定hub基因。AdHy@Pae治疗组RNA测序显示与未治疗OA组织相比6个基因显著上调、6个下调，GSEA显示ErbB信号、DNA复制和代谢恢复通路显著富集（图9A-C）。WGCNA（β=24）产生21个基因模块，MEwhite模块与OA强负相关（|r|>0.9，P<0.05），含197个hub基因（图9D-F）。整合OA DEGs、AHP DEGs、OA WGCNA hub基因和线粒体基因组四个数据集，交集取得5个核心靶点（Tgm2、IL6、Fgr、Mmp9和IL1β），功能富集显示其强参与IL-17、TNF信号通路（图10A-D）。实验验证显示AdHy@Pae显著调控IL-17A和TNF-α通路关键组分、线粒体融合/分裂关键蛋白（MFN1、MFN2、FIS1、Dnm1L）及下游效应分子COL2A1和MMP9，线粒体功能检测进一步证实线粒体恢复参与AdHy@Pae的治疗效应（图10E-F）。

图9. AdHy@Pae处理软骨组织的转录组学分析。（A）AdHy@Pae处理组与OA组差异表达基因（DEGs）的热图；（B）AHP与OA组间上调和下调DEGs的火山图（|log2FC|≥0.38，p<0.05）；（C）DEGs的GSEA分析显示显著富集的生物学通路；（D）基于拓扑重叠构建的WGCNA聚类树；（E）模块-性状相关性热图显示共表达模块与样本性状的关系；（F）散点图显示MEwhite模块内模块成员与基因显著性的相关性。

图10. AdHy@Pae缓解OA机制的鉴定与验证。（A）维恩图显示OA和AdHy@Pae数据集中DEGs与WGCNA模块的交集；（B）热图显示对照、OA和AHP组中5个核心基因的表达谱；（C）OA vs.对照和AHP vs. OA比较DEGs的火山图，突出显示5个交集基因；（D）KEGG通路富集分析显示5个核心基因在炎症和代谢相关信号通路中的分布；（E）Western blot验证各组蛋白表达；（F）示意图说明AdHy@Pae治疗下IL-17A和TNF-α信号通路在线粒体功能和细胞外基质调控中的作用。