骨组织工程支架正在成为替代自体骨移植进行外科骨修复的理想策略，但由于缺乏合适的生物材料，仍然缺乏有效手段促使再生骨达到天然骨的优越性能。故现阶段仍然迫切需要开发新型药物和支架，促进骨损伤修复。温州医科大学李校堃院士团队王周光教授联合武汉大学中南医院蔡林教授和华中科技大学罗志强教授联合开发了一种多功能复合压电水凝胶骨组织工程支架，在期刊Mil Med Res（IF=35）上发表题为“The marriage of immunomodulatory, angiogenic, and osteogenic capabilities in a piezoelectric hydrogel tissue engineering scaffold for military medicine” 的文章。文章第一作者为温州医科大学吴平副研究员。
本研究将聚多巴胺(PDA)改性的压电钛酸钡(PDA-BaTiO3, PBT)纳米颗粒和羟基磷灰石(PHA)纳米颗粒掺杂到壳聚糖/明胶水凝胶中，制备了一种新型压电水凝胶骨组织工程支架。实验证实这种压电水凝胶支架具有自发电、促内源性生长因子分泌、免疫调节、血管生成和成骨能力。壳聚糖/明胶/羟基磷灰石/钛酸钡复合压电水凝胶能在体内原位提供稳定的内源性电刺激。这种能提供原位电刺激的策略和装置与传统的有线电刺激方法相比，提供了一种新的选择，对电刺激在组织工程的基础研究和应用研究中具有重要意义。
课题组详细研究了水凝胶促进M2巨噬细胞表型极化、促进成骨分化和血管生成、加速骨再生和重塑的能力，同时也说明该压电水凝胶植入体是一种具有潜在生物活性的支架生物材料，具有产生压电微环境的特殊能力，并且我们也同时证明这种交流电刺激可以有效促进巨噬细胞及组织缺损部位VEGF、bFGF的表达，从而促进新血管的生成。综上所述，该壳聚糖/明胶/羟基磷灰石/钛酸钡压电水凝胶骨组织支架在临床修复临界骨缺损方面具有很大的应用潜力。
图1 压电水凝胶促进骨组织再生的作用机制及其发电机理分析。
图2 压电水凝胶的免疫调控的功能
另外，脊髓损伤是临床上最常见的严重中枢神经系统疾病之一，药学院王周光课题组围绕脊髓损伤微环境、干细胞移植和新型生物材料应用等研究工作，全职回国后一年多的时间里，在国际知名期刊Bioactive Materials（Top一区，IF=18.9，2篇）和Chemical Engineering Journal（Top一区，IF=16.7）上相继发表题为”Hypoxia response element-directed expression of bFGF in dental pulp stem cells improve the hypoxic environment by targeting pericytes in SCI rats”、“Alginate self-adhesive hydrogel combined with dental pulp stem cells and FGF21 repairs hemisection spinal cord injury via apoptosis and autophagy mechanisms”和”A shear-thinning, ROS-scavenging hydrogel combined with dental pulp stem cells promotes spinal cord repair by inhibiting ferroptosis“的研究性文章。探究了牙髓干细胞（DPSCs）联合生长因子和生物材料对脊髓损伤的修复功能和作用机制。
于Bioactive Materials上发表的论文中（https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.01.024），课题组利用腺相关病毒将bFGF基因导入DPSCs中，同时通过缺氧反应原件（5HRE）调控bFGF的表达，构成在缺氧区域定向表达bFGF的DPSCs。免疫荧光染色发现移植的DPSCs分化为CD13+周细胞，并分泌bFGF提高N-cadherin的表达，促进CD13+周细胞与血管内皮细胞的粘附。进一步研究发现，CD13+周细胞通过调节微血管直径来控制血流，以达到调节脊髓损伤缺氧微环境的作用。CD13+周细胞中的多巴脱羧酶(DDC)被激活，脊髓损伤后产生5HT，CD13+周细胞产生的5-HT作用于自身的5HT- 1b，使微血管收缩。与此同时，AAV-5HRE-bFGF-DPSCs还能通过抑制AMPK-mTOR-ULK1自噬通路促进神经元存活，进一步改善缺氧微环境。该研究表明，AAV-5HRE-bFGF-DPSCs对于脊髓损伤临床治疗具有非常大的潜力。朱思品研究员、研究生应一博、研究生贺燕本文第一作者，王周光教授、叶青松教授、李校堃院士为本文的通讯作者。
发表于Chemical Engineering Journal上的论文中（https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130827），课题组设计了一种结合牙髓干细胞和成纤维细胞生长因子21的海藻酸钙水凝胶（Ca2+@Alg-FGF21 + DPSC）以改善脊髓半切（HSCI）小鼠的运动功能。Ca2+@Alg-FGF21 + DPSC通过内含的钙离子上调机体的钙粘蛋白表达，促进水凝胶与脊髓之间形成生物自黏附并抑制胶质瘢痕的形成，加速细胞迁移到水凝胶内，并且利用FGF21+DPSC的复合体系调节脊髓微环境，在急性损伤期激活自噬抑制凋亡，在慢性恢复期抑制过度激活的自噬，有效促进HSCI小鼠运动功能恢复。本文不仅发掘海藻酸水凝胶的作用新靶点而且针对脊髓损伤病理发展实现了灵活精准调控。朱思品研究员、研究生应一博与研究生吴秋吉为本文第一作者，王周光教授、叶青松教授、肖健教授、何华成副教授为本文的通讯作者。
发表于Bioactive Materials上发表的论文中（https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.09.019），课题组将牙髓干细胞(DPSCs)引入TPA@Laponite水凝胶，这种复合生物材料能有效地调节铁代谢和抗氧化，促进脊髓损伤的恢复。与DPSCs结合的TPA@laponite水凝胶在脊髓损伤后7天能够显著降低损伤中心的氧化应激和脂质过氧化。同时，普鲁士蓝染色观察到脊髓损伤中心的铁沉积大幅减少，进一步的研究表明三价铁的胞内转运被抑制。此外，α-运动神经元具有横跨关节的轴外肌纤维，调节关节运动，γ-运动神经元具有梭间肌纤维，调节肌肉张力。课题组发现，脊髓损伤后，大量神经元死亡，脊髓中可见到GABA能突触数量减少，谷氨酸能突触数量增加，而Gel + DPSC组α神经元和γ神经元周围GABA能突触数量增加，谷氨酸能突触数量减少，显著减轻了过度兴奋引起的肌肉痉挛。本研究实现了多因素介导的脊髓微环境和神经再生的协调调控，促进脊髓损伤的全面恢复。研究生应一博、黄智洋、屠郁蓉与吴秋吉为本文第一作者，王周光教授、朱思品研究员、叶青松教授为本文的通讯作者。
