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针对上述问题，上海市第六人民医院曹烈虎、上海大学转化医学研究院王秀惠/苏笠团队开发了一种新的时空可控的原位水凝胶，采用了纳米瓶介导的胶囊化技术骨关节炎的协同治疗。将聚多巴胺（PDA）纳米瓶设计成共包封氯化铜和细胞核生成素（KGN），随后与含有双氯芬酸钠（ds）的硫脲修饰的透明质酸（HA-NCSN）混合。值得注意的是，在近红外（NIR）照射下，从PDA纳米瓶中释放的Cu²⁺与HA-NCSN动态螯合，触发原位凝胶化，同时实现时空可编程的药物释放。体外研究表明HDP ckh水凝胶能有效缓解炎症微环境，保护软骨细胞免于凋亡，并促进BMS cs向软骨细胞分化，在治疗OA以及其他退行性疾病方面具有巨大的潜力。该文章于2026年2月3日以《Spatiotemporally Controllable In Situ Hydrogels Enabled by Nanobottle-Mediated Encapsulation Technology for Stage-Specific Synergistic Therapy of Osteoarthritis》为题发表于《Advanced Functional Materials》（DOI：10.1002/adfm.202531767）。

图1.一种新型时空可控原位水凝胶的设计示意图，该水凝胶顺利获得纳米瓶介导的包封技术用于骨关节炎的特定阶段协同治疗。

（1）载药PDA纳米瓶的合成与表征

为了构建可控时空递送药物的纳米载体，并顺利获得引入相变材料（PCM）实现药物的稳定封装（图2A）。验证了PDA纳米瓶的单开口中空结构（图2B），其平均直径为432.7 nm，开口尺寸为228.0 nm（图2C）。CuCl₂和KGN成功封装在PDA纳米瓶中，PDA NB@CuCl₂和PDAB@CuCl₂-KGN组分别对应单独封装CuCl₂和共封装CuCl₂与KGN（图2D、图2E、图2H）。载药纳米瓶的粒径较未载药样品略大，但尺寸分布更窄（图2F），且电势分析表明负电荷增多，增强了胶体稳定性（图2G）。在808 nm近红外照射下可迅速加热至43°C，足以触发药物释放且不损伤周围组织（图2I、图2J、图2K）。近红外辐射后，Cu²⁺表现出快速的爆发式释放（图2L），而KGN则呈现逐步累积释放（图2M），这归因于相变材料的熔化与KGN的缓慢释放。

图2.载药PDA纳米瓶的合成和表征。（A）合成PDA纳米瓶及其药物封装过程的示意图（PC和PCK）。（B）PDA纳米瓶的透射电子显微镜图像。（C）PDA纳米瓶的平均直径和开口大小（n=3）。（D）PC和PCK纳米瓶的透射电子显微镜图像。（E）PDA纳米瓶（PDANB）、PC和PCK纳米瓶的EDS分析。（F）PDA纳米瓶、PC和PCK纳米瓶的粒度分析。（G）PDA纳米瓶、PC和PCK纳米瓶的ζ电势分析（n=3）。（H）KGN、PDA纳米瓶和PCK纳米瓶的紫外-可见光谱。（I）2 mg/ml PCK溶液在不同NIR照射功率密度下的光热曲线。（J）在0.75 W/cm2的NIR照射下，不同浓度的PCK溶液的光热曲线。（K）2mg/mlPCK溶液在0.75 W/cm2 NIR照射的多个循环下的光热稳定性曲线。（L，M）有和没有NIR照射的PCK纳米瓶中Cu2+和KGN的累积释放曲线（n=3）。

（2）制备和理化顺利获得纳米瓶介导的包封技术实现时空可控原位水凝胶的表征

基于PDA纳米瓶介导的药物包封策略，构建了时空可控的原位HDPCK水凝胶。如图3A所示，HA-NCSN给予与Cu²⁺的螯合位点，实现溶胶-凝胶转变和羟基磷灰石-NCSN/Cu²⁺水凝胶形成，Cu²⁺可在NIR照射下从PDA纳米瓶中释放并诱导原位凝胶化。羟基NCSN合成成功（图3D），XPS和高分辨率Cu2p光谱（图3E-F）证实Cu²⁺/Cu⁺存在及硫脲基团参与部分还原，低温SEM显示均匀多孔结构（图3C）。HDPCK水凝胶在近红外照射下液态快速转为凝胶态并稳定（图3B、图3G），断裂应变高于直接交联HC水凝胶（图3H），杨氏模量略低（图3I），表明纳米瓶调控交联度和力学性能。

图3.顺利获得纳米瓶介导的包封技术实现的时空可控原位水凝胶的制备和理化表征。（A）图解说明了HA-NCSN和Cu²⁺顺利获得离子螯合的凝胶化机理（I）和HDPCK水凝胶在NIR照射下顺利获得PCK纳米瓶介导的包封的原位凝胶化过程（ii）。（B）NIR照射前后原位凝胶化的宏观图像。（C）各种水凝胶的低温扫描电镜图像。（D）羟基NCSN的核磁共振氢谱。（E）HC水凝胶的XPS光谱。（F）HC水凝胶的高分辨率u2p光谱。（G）小振幅下各种水凝胶的时间扫描流变分析。（H）各种水凝胶的应变扫描流变分析。（I）各种水凝胶的杨氏模量分析（n=4）。

（3）时空可控原位水凝胶的功能特性

顺利获得PDA纳米瓶封装策略制备的时空可控原位水凝胶表现出良好的自愈合能力和粘附性。应变松弛曲线（图4B）和流变学分析（图4C）证明了其动态恢复能力，源于HA-NCSN与Cu²⁺的可逆配位。该水凝胶在骨关节炎治疗中能有效固定在关节腔内，并具备强大的组织粘附力（图4D），在拉伸和扭曲条件下仍能稳固粘附（图4E）。水凝胶还展现出优异的溶胀性能（图4I），吸水率达到180%，有助于维持水合微环境，支持关节内的营养扩散和局部治疗。体外降解测试（图4H）显示，NIR照射下，水凝胶的质量损失明显减少，表明光热效应能减缓降解。HDPCK水凝胶还展现出优异的光热性能，在808nm NIR辐射下可快速加热至43°C（图4J），并保持稳定的热分布（图4K）。该水凝胶具有时空可控的药物释放能力（图4L, 4M），顺利获得顺序释放DS和KGN，缓解关节炎症并促进软骨修复，展示了其在骨关节炎治疗中的潜力。

图4.时空可控原位水凝胶的功能性能。（A）原位水凝胶自愈合能力的宏观图像，由HDPCK表示。（B）原位水凝胶的应变松弛曲线。（C）HDPCK在低/高应变下的时间扫描流变分析。（D）原位水凝胶粘附性能的宏观图像，由HDPCK表示。（E）原位水凝胶的搭接剪切粘附曲线。（F）与DPPH共孵育的原位水凝胶的紫外-可见光谱。（G）原位水凝胶的自由基清除能力的定量分析（n=3）。（H）14天内原位水凝胶在PBS中的降解曲线（n=3）。（I）原位水凝胶在PBS中的溶胀比（n=3）。（J）原位水凝胶在不同NIR功率密度下的光热曲线，由HDPCK表示。（K）以HDPCK为代表的原位水凝胶在多次照射循环下的光热稳定性。（L）DS从HDPCK水凝胶中的累积释放（n=3）。（M）从HDPCK水凝胶中累积释放KGN（n=3）。

（4）时空可控HDPCK水凝胶调节炎症体外保护软骨细胞的微环境

基于OA病理特征的体外研究显示，时空可控HDPCK水凝胶可减轻炎症并促进软骨再生（图5A）。生物安全性实验表明，HPC、HDPC和HDPCK及其轻度光热处理组在CCK-8分析中与对照组细胞存活力相当，3天内稳定增殖（图5B），活/死染色显示活细胞丰富，几乎无死细胞（图5C）。IL-1β诱导的炎症条件下，水凝胶显著降低细胞内ROS（图5D），DS进一步增强抗氧化作用，TUNEL染色和流式细胞分析显示含DS水凝胶显著抑制早晚期细胞凋亡，HDPCK+效果最强（图5E、5F）。水凝胶逆转IL-1β降低Col II和ACAN、上调MMP13的效应，其中HDPCK+组表现最佳（图5G，5H），RT-qPCR进一步证实Col II、Acan上调、Mmp13下调（图5I）。

图5.原位水凝胶对软骨细胞保护作用的体外评估。（A）IL-1β刺激和水凝胶治疗下软骨细胞培养的实验设计示意图。（B）用不同的原位水凝胶培养3天的软骨细胞的细胞活力（n=3）。（C）与原位水凝胶共培养3天后软骨细胞的活/死染色。（D）在用不同水凝胶处理的IL-1β刺激下软骨的ROS染色。（E）在用不同水凝胶处理的IL-1β刺激下的软骨细胞的TUNEL染色。（F）软骨细胞凋亡的流式细胞术分析。（G）软骨细胞中Col II、ACAN和MMP13的免疫荧光染色。（Col II、ACAN和MMP13的免疫荧光强度的半定量（n=3）。（I）软骨细胞中Col II、Acan和Mmp13 mRNA表达的RT-qPCR分析（n=3）。

（5）HDPCK水凝胶中培养的软骨细胞的转录组学分析炎症微环境

顺利获得转录组测序比较炎症条件下（OA组）和HDPCK+水凝胶处理的软骨细胞的基因表达谱，发现水凝胶诱导了特有的转录谱，表现为炎症相关基因的下调和基质修复基因的上调（图6A，6B）。功能富集分析显示，水凝胶干预与细胞因子活性和对外部刺激的反应密切相关（图6D）。KEGG通路分析揭示水凝胶显著抑制了TNF、IL-17、NF-κB等促炎通路，并增强了PI3K-Akt信号等修复途径（图6E）。GSEA分析表明，水凝胶显著下调“炎症反应调节”基因，而上调“黏着斑-PI3K-Akt-mTOR信号通路”基因组，表明水凝胶顺利获得调节粘附和代谢稳态促进修复（图6C）。水凝胶治疗显著降低了p-p65、p-IκBα、p-PI3K和p-Akt的磷酸化水平，进一步证实了其抗炎和修复作用（图6F、6G、6H）。

图6 .HDPCK水凝胶对软骨细胞治疗效果的转录组分析。（A）OA对照组和HDPCK+组之间DEGs的维恩图。（B）OA对照组和hdpk+组之间的DEGs火山图。（C）“炎症反应调节”途径（左）和“粘着斑-PI3K-Akt-mTOR信号传导”途径（右）的GSEA结果。（D）基因本体（GO）丰富DEGs的分析。（E）DEGs的KEGG途径富集分析。（F）免疫印迹验证水凝胶治疗对炎症相关途径（由NF-κB途径代表）的调节作用。（G）水凝胶处理对细胞代谢和生长相关途径（由PI3K-Akt途径代表）的调节作用的蛋白质印迹验证。（H）水凝胶处理后软骨细胞相关蛋白表达的蛋白质印迹验证。

（6）时空可控HDPCK水凝胶促进骨髓间充质干细胞体外分化为软骨细胞

为解决晚期软骨破坏问题，盛煌娱乐 盛煌研究了水凝胶系统是否能促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）分化为软骨细胞，以补充丢失的软骨。使用基于transwell的共培养模型与808 nm NIR照射（图7A）进行评估，结果显示所有组均保持高细胞活力，证明了系统的生物相容性（图7B，C）。培养7天后，糖胺聚糖（GAG）沉积在水凝胶处理组显著增加，特别是在HDPCK和HDPCK+组（图7D），且光热刺激增强了ECM积累，有助于软骨形成。免疫荧光染色显示HDPCK和HDPCK+组BMSCs显著提高Col II、ACAN和SOX9的表达，HDPCK+效果最强（图7E，7F）。RT-qPCR分析进一步HDPCK+组中Col II、Acan和Sox9 mRNA水平显著升高，特别是Acan，与软骨形成过程中的主要ECM成分一致（图7G）。

图7.时空可控HDPCK水凝胶促进BMSCs软骨分化的体外研究。（B）MSCs与原位水凝胶共培养的实验设计示意图。（B）与不同原位水凝胶共培养1、2和3天的BMSCs的细胞活力（n=3）。（C）与原位水凝胶共培养3天后BMSCs的活/死染色。（D）培养7天后BMSCs的阿尔新蓝染色。（E）与原位水凝胶共培养的BMSCs中Col II、ACAN和SOX9的免疫荧光染色。（F）Col II、ACAN和SOX9的免疫荧光强度的半定量分析（n=3）。（G）RT-qPCR与原位水凝胶共培养的BMSCs中Col II、Acan和Sox9 mRNA表达的分析（n=3）。

（7）时空可控原位水凝胶缓解滑膜炎症抑制ACLT诱导大鼠骨关节炎模型软骨退变

在SD大鼠前交叉韧带横断（ACLT）模型中（图8A），显微CT重建图像（图8B）显示治疗组的关节磨损得到改善，骨赘形成显著减少，尤其是HDPCK和HDPCK+组表现出最强的保护作用，骨赘体积定量数据（图8D）证实治疗组显著减少骨赘。H&E染色和SO/FG染色（图8C）显示PBS组软骨退变严重，而治疗组表现出有效的软骨保护，HDPCK和HDPCK+组顺利获得KGN的持续释放有效促进软骨再生，保持软骨基质的完整性。OARSI评分（图8E）和免疫组织化学分析（图8C，F）进一步表明，Col II和ACAN表达水平在治疗组明显上升，尤其是HDPCK和HDPCK+组显示最显著的改善，抑制软骨退化并促进再生。

图8.时空可控原位水凝胶对ACLT诱导的大鼠骨关节炎模型的治疗效果。（A）ACLT模型建立和原位水凝胶治疗方案的示意图。（B）关节部位的CT重建图像（左）、关节部位的矢状截面图像（右上）和关节骨赘的CT重建图像（右下）。（C）关节软骨组织的HE和SO/FG染色，以及Col II和ACAN的免疫组织化学染色。（D）骨赘体积的定量分析（n=5）。（E）观察不同组（n=3）的关节软骨退变情况。（F）Col II和ACAN的半定量免疫组织化学分析（n=3）。

（8）时空可控原位水凝胶促进大鼠软骨缺损模型的软骨修复

评估了原位水凝胶在晚期OA中的治疗潜力，采用SD大鼠全层软骨缺损模型（图9A）。治疗后，未处理组软骨缺损6周仍无明显修复，而水凝胶治疗组则表现出渐进性改善。HPC+和HDPC+组较HPC和HDPC组有更好的软骨再生，尤其是HDPCK+组，缺损区几乎完全修复，组织形态接近正常软骨。AFM分析（图9C，E）显示HDPCK+组表面最光滑，Ra值与健康对照组相当，修复效果优越。组织学染色结果（图9D）显示HDPCK+组新形成的软骨保存良好，与天然软骨相似。免疫组织化学染色进一步证实，HDPCK+组的Col II和ACAN表达显著增强，表明活跃的软骨形成（图9F）。

图9.全层软骨缺损模型中时空可控原位水凝胶介导的软骨再生的体内评估。（A）全层软骨缺损模型建立和水凝胶治疗方案的示意图。（B）治疗6周后不同组中软骨缺损部位的宏观图像。（C）缺损部位修复软骨表面粗糙度的AFM图像。（D）缺损部位软骨组织的组织学染色，包括HE和SO/FG染色，以及Col II和ACAN的免疫组织化学染色。（E）缺损部位软骨表面粗糙度的定量分析（n=3）。（F）大肠杆菌和ACAN的半定量免疫组织化学分析（n=3）。