2023年12月1日，苏州大学程亮教授团队、张克勤教授团队以及苏州大学附属第二医院周晓中主任团队共同合作，在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上发表了最新研究成果，题为“Self-assembled silk fibroin injectable hydrogels based on layered double hydroxides for spinal cord injury repair”。该研究报道了一种新型蚕丝蛋白基多功能生物活性水凝胶协同促进脊髓损伤后神经组织修复和再生的研究工作。该研究采用超薄MgMn-LDHs水滑石抗氧化纳米材料与蚕丝蛋白通过氢键诱导蚕丝蛋白形成β-sheet结构，从而促进水凝胶的形成。该水凝胶表现出优异的协同治疗效果，如改善氧化应激及乏氧微环境、减轻炎症、以及调节细胞内金属离子浓度，以促进神经元的生长和分化等，并显著改善脊髓损伤小鼠的运动功能。研究结果拓展了新型蚕丝蛋白生物活性水凝胶材料在脊髓损伤修复中的应用。

脊髓损伤具有较高的发病率和致残率，是最严重的公共卫生问题之一。在脊髓损伤的过程中，初级创伤会引发强烈的炎症反应并产生大量的活性氧（ROS），对中心及周围神经组织持续造成严重的损害。为此，研究人员致力于开发基于抗氧化剂的治疗策略，旨在清除活性氧并缓解炎症。然而，这些策略一直未能取得理想的治疗效果，主要原因是中枢神经系统的自发再生能力有限，包括有限的轴突再生和髓鞘再生。

脊髓损伤患者常常表现为镁离子（Mg²⁺）缺乏，继而导致P物质（一种速激蛋白）的释放。这种物质最终会引发神经细胞水肿，甚至死亡。相反，适当的补充Mg²⁺可以有效促进神经修复并防止中枢神经系统损伤后的细胞死亡。此外，由于受损的血管阻碍了向脊髓损伤部位的氧气输送，继而造成的乏氧环境也对神经再生造成了极大的限制。将活性氧等有害的物质转化为有益的氧气为脊髓损伤治疗提供了一条有前景的途径。值得注意的是，一些生物活性金属离子，如锰离子能够在不同价态之间进行电子转移，因而表现出优异的抗氧化性能，可以持续清除活性氧。特别是三价锰离子（Mn³⁺）可以催化一些活性氧，如过氧化氢、超氧根阴离子等生成氧气。因此，基于Mg²⁺/Mn³⁺的生物活性材料在协同促进神经组织修复和再生方面具有很大的前景。

基于上述思路，苏州大学程亮教授团队、张克勤教授团队和苏大附二院周晓中教授团队设计构建了一种基于生物活性功能纳米材料的可注射水凝胶。超薄的MgMn-LDHs纳米片层与蚕丝蛋白以氢键相互作用的方式结合，通过诱导蚕丝蛋白β-sheet结构自组装形成一种新型的可注射水凝胶。该水凝胶以Mn³⁺为活性位点持续清除ROS并产生氧气，缓解了脊髓损伤氧化应激和乏氧的微环境。更重要的是，水凝胶缓慢释放出Mg²⁺，进而调节细胞内Mg²⁺浓度以激活分化途径促进了神经元的生长和分化，实现了对神经的修复再生。此外，该功能水凝胶有效诱导抗炎巨噬细胞的激活，从而减轻炎症反应。这种协同治疗的综合效果，包括抑制炎症、改善乏氧和调节细胞内金属离子浓度共同促进神经生长和再生，显著改善脊髓损伤小鼠的运动功能。

图1. 水凝胶的制备及其在脊髓损伤修复中的作用机制示意图