Small：磁响应非接触式Massage支架加速创面修复

【背景】组织发育由机械力信号和生物信号共同介导。目前，关于生物信号调控修复的报道较多，但对体内动态机械力调节的认识还不够。如何在组织再生修复过程中引入可控的机械力？用磁场驱动生物支架非接触式的产生力是一个有效的方法，目前磁响应组织工程支架仍存在系列问题：

（1）磁响应支架的制造仍存在困难。对水凝胶支架而言，刚性纳米颗粒的引入会导致水凝胶的交联度降低，强度不足，容易破裂；对聚合物支架而言，由于磁纳米颗粒的引入，材料的刚性大大增加，往往难以产生较大幅度的形变。

（2）细胞内机械力学转导过程的探索仍待加强。目前大部分磁响应组织工程支架的研究仍局限在对支架的形变能力的探索，而忽略了从细胞的机械力学转导过程，即从蛋白层面研究外部机械信号与细胞内力学通路之间的关系，探究多大的力/形变能够激活力学通路。

近期，浙江大学机械工程学院的贺永教授、浙江大学口腔医院的谢志坚教授团队的石珏副主任医师联合在Small期刊上发表题为“A Cyclical Magneto-Responsive Massage Dressing for Wound Healing”的研究论文，朱萌硕士、胡秭禾博士、刘念博士为共同第一作者。该工作发明了一种动态水凝胶支架，通过将3D打印的磁性纤维网络嵌入软弹的生物水凝胶中，赋予该支架足够的磁响应性（即在外界磁场下的变形能力）、增强的力学性能与良好的细胞黏附性。该支架可成为体外研究微形变与生物力学关系的载体，也能够提供动态机械刺激促进在体修复。 

图一：磁响应复合水凝胶的设计、制造与应用示意图

图二：磁性纤维网络的化学成分、磁学性能与表面形貌

科研人员利用溶剂法将四氧化三铁纳米颗粒混入聚己内酯基体中，制备了磁性混合物，并使用熔融近场直写技术对磁性墨水的打印参数进行了探究。对不同拓扑结构的纤维网络形貌进行了观察与表征，验证了磁性墨水的可打印性。通过添加不同含量的磁性纳米颗粒，可以调节磁性墨水的黏度和磁性。

图三：水凝胶基体的选用、磁性复合支架的物化性能

由于刚性纳米颗粒的引入，打印出的纤维刚度增加。在外部磁场作用下，整个磁性薄膜支架受到刚度的限制而无法发生形变，这意味着支架上的细胞无法感知到外部物理刺激。因而，我们设计了负泊松比的纤维结构，允许较大范围的结构形变，弥补了材料形变的不足。当受到外力作用时，纤维首先发生结构变形，即每根纤维从波浪线被拉成一条直线，然后发生材料变形。为保证充足的磁响应性，使用高浓度磁性墨水打印出粗纤维作为磁性驱动器；最后，使用弹性水凝胶作为弹性基体，既保持了纤维支架的可变形性，又为细胞培养提供充足的黏附位点。

在选用水凝胶基体时，研究人员采用具备超低模量和优异弹性的GelM30水凝胶。然而，该水凝胶具备较大的溶胀率，会严重影响磁性支架变形程度的量化结果，因此引入孔隙结构更为密实的SilMA水凝胶对GelMA30水凝胶的溶胀性能进行优化。对不同GelMA/SilMA比例水凝胶的流变性能、力学性能、溶胀程度等进行了测试，确定了水凝胶基体的最佳组分。

图四：磁性复合支架所受磁力大小与变形程度的量化

在外加磁场的作用下，磁响应支架可以实现从“OFF”到“ON”的无级调节。“ON” 的状态下，支架处于被拉伸的状态，支架上的细胞会受到拉伸力；“OFF”状态下，支架 Z 轴位置归零，细胞所受拉力释放。对不同磁场下支架所受磁力和所产生的变形进行量化是很关键的，结合后续细胞实验中的细胞分化结果，可以判定多大的外部物理刺激可以激活细胞力学通路以及不同大小的机械刺激如何调控细胞行为。

研究人员首先建立了外部磁铁距离与磁感应强度的关系，测试了不同磁铁距离下磁性支架的受力大小与变形程度，并对结果进行仿真验证。另外，在伤口愈合过程中，磁性支架中的水凝胶会吸收伤口的渗出液，维持湿润的伤口环境，防止细菌感染，这对于伤口是有利的。然而，吸收的渗出液会使水凝胶膨胀，改变其体积与重量，进而改变复合支架的磁响应性，最终对细胞感知到的机械刺激产生影响。因而，研究人员对不同溶胀条件下磁性支架的受力和变形情况也进行了评估，以期更符合真实的伤口愈合过程。

图五：机械刺激对细胞分化的影响

为探究不同的微力/微变形对细胞的影响，研究人员使用真皮层和表皮层的典型细胞（成纤维细胞 L929 和角化细胞 HaCaT）构建了体外皮肤模型。首先探究了有无刺激对细胞内力学转导蛋白水平的影响，发现两种典型的力学转导蛋白LaminA/C 和 YAP 均能够对机械刺激作出反应，且在刺激时长为 30min-2h 时表达最为旺盛。此外，伤口愈合相关蛋白 α-SMA 与 K14 也在此时长内分泌增加。另外，通过调整刺激频率和幅度等参数，发现不同的动态刺激参数能够有规律地调控细胞内蛋白的表达，如 α-SMA 与 K14 的表达随刺激幅度的增加而上调。在我们设定的实验参数范围内，时长 30 min、幅度 6%、频率 1 Hz 的动态刺激对于激活机械信号通道、促进伤口愈合是最有利的。

图六：磁响应动态支架的在体刺激过程

为了验证结果的可靠性，研究人员在体内进一步证实动态机械刺激对伤口愈合的效用。对大鼠进行皮肤损伤造模，设置空白组、静态对照组、动态刺激组，经过两周的观察取样，发现刺激组的伤口愈合速度、最终伤口愈合率（97%）均高于其他组。

图七：伤口再生的组织形态学与免疫组化分析

从组织学角度来说，两周后刺激组的创面在再上皮化，新生血管和皮肤附属物（包括毛囊和腺体）明显增多，再生组织结构接近正常皮肤；刺激组形成了更厚、更连续的肉芽组织与密度更高的胶原纤维。免疫组化层面来看，对比空白组与静态组，刺激组的 α-SMA 与 K14蛋白水平更接近正常组织。实验结果说明该动态机械刺激能够通过促进再上皮形成和介导皮肤收缩来加速创面愈合过程，展示了磁响应动态支架在皮肤组织工程中广阔的应用场景。

【小结】本研究开发了一种新的动态调节修复系统，用于体外和体内应用，该系统利用磁性纳米颗粒作为非接触式致动器来激活水凝胶，使其产生不同幅度的变形。采用体外皮肤模型探讨不同动态刺激对细胞机械转导信号激活和细胞分化的影响。动物实验层面证实，动态按摩可以模拟和增强皮肤缺损的牵引效应，从而通过促进再上皮化和介导皮肤收缩来加速创面愈合过程。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202400644