上海新华医院杨军团队开发智能水凝胶“搭桥导航”，促进面神经高效修复

本微信公众平台由上海市科委(18dz2307400)和上海市卫健委（JKKPZX-2024-A06）科普项目资助，获2022年度上海科普教育创新奖三等奖，2023年度上海医学科技奖二等奖。

编者按：

面神经是人体最长的外周神经，其结构精细且解剖走行复杂，再生能力有限，创伤、肿瘤或感染导致的面神经损伤，常引起患侧面部肌肉瘫痪。全球每年高达20-30/10万的新发病例背后，患者不仅面临功能障碍，更承受着巨大的心理与社会压力，如何在损伤部位同时实现有效的物理支撑，同时对免疫微环境的精准调控，是再生医学领域面临的一项核心挑战。2026年1月19日，上海交通大学医学院附属新华医院杨军教授课题组在生物材料领域顶刊Bioactive Materials（IF 26.8）上发表了突破性研究成果，首次构建了一种搭载骨髓间充质干细胞外泌体的光交联GelMA/HAMA智能水凝胶复合支架。该研究不仅实现了损伤组织形态修复、轴突髓鞘再生到面神经功能的恢复，更通过深度转录组学分析，首次将材料学效应与Nnat基因介导的免疫调控通路关联，揭示了智能生物材料通过调控PI3K/NF-κB/P38信号轴驱动巨噬细胞M1向M2型极化的分子机制。实现了从组织到面神经功能的全面修复，为解决临床神经修复难题提供了极具前景的新方案。

一、研究背景

面神经损伤后，会触发一系列复杂的病理生理过程。远端的轴突与髓鞘随即启动沃勒变性（Wallerian degeneration），大量巨噬细胞在数小时内被募集至损伤区，伴随剧烈的急性炎症反应。传统观点认为，炎症只是清理“垃圾”的过程，近年研究揭示，持续存在的促炎性微环境是阻碍神经成功再生的关键壁垒。损伤早期，巨噬细胞主要极化为M1型（促炎型），分泌IL-1β、TNF-α等炎症因子以清除坏死组织，若其过度激活或无法及时向促进修复的M2型（抗炎型）转换，导致慢性炎症、大量瘢痕形成，严重阻碍神经再生通道。当前临床修复手段，无论是自体神经移植、神经导管还是单一生长因子（如NGF、bFGF）局部应用，大多侧重于被动的物理支撑或孤立的营养补充，难以精准干预上述复杂的免疫调控过程。开发一种既能引导轴突定向生长，又能主动介导炎症转换、创造友好再生微环境的新型生物活性材料，已成为外周神经再生领域内最迫切、最核心的临床需求。

图1. 本研究核心策略和技术路线示意图

二、核心实验成果

①材料创新：仿生水凝胶为受损神经搭建三维桥梁

团队首先成功合成了甲基丙烯酰化明胶（GelMA）和甲基丙烯酰化透明质酸（HAMA）。为解决传统神经支架力学性能单一、降解周期不匹配的问题，研究团队进行多组配比筛选，最终选定10%GelMA与1%HAMA的组合，在LAP光引发剂作用下，仅需405nm紫外光照射8-10秒即可快速交联成型，既能够模拟细胞外基质，又为细胞迁移和轴突生长提供稳定的三维框架。材料表征显示，水凝胶在生理温度下具有良好的注射流动性和较高的交联效率，能够迅速形成坚固的三维网络结构。通过核磁共振（NMR）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析实，甲基丙烯酰化改性精准发生于明胶的赖氨酸残基和透明质酸的羟基位点，且改性过程未破坏明胶固有的RGD黏附序列及透明质酸的CD44受体结合域。

图2. 光交联GelMA/HAMA复合水凝胶化学结构、宏观形貌、物理性能（溶胀、力学、流变、降解）及生物相容性（凝血、溶血）的表征

在力学性能上，该水凝胶表现出高度可调性，压缩模量范围覆盖35-180kPa，能匹配神经组织需求；流变学测试显示，储能模量（G′）在0.1-10Hz频率范围内始终远高于损耗模量（G″），证明其稳定的弹性网络结构。复合水凝胶具有酶响应性降解特性。在模拟体内溶菌酶环境的PBS中，该水凝胶约21天完全降解，其质量损失曲线与神经修复的轴突萌芽期（0-7天）、快速生长期（7-14天）、髓鞘重塑期（14-21天）高度同步，既能提供临时支撑，又可避免二次手术取出。此外，该材料展现优异的生物相容性与血液相容性，溶血率低于3%（ISO10993-4标准为5%），在促进止血的同时不引发病理性血栓，为体内应用奠定了基础。扫描电镜（SEM）揭示其内部呈均匀互通的多孔网络，孔径50-200微米，为细胞迁移、营养交换和轴突定向生长提供了优越的物理空间。

图3. 不同配比水凝胶宏观图，10%GelMA与1%HAMA扫描电镜图

将大鼠骨髓提取骨髓间充质干细胞来源的外泌体（BExos）高效负载于水凝胶三维网络中，构建BExos@GelMA/HAMA复合智能体系。纳米颗粒追踪分析（NTA）显示其粒径主峰为146 ± 2.2nm，透射电镜（TEM）下呈现典型的杯状双层膜结构。Western blot证实其高表达CD81、TSG101、CD63，且不表达内质网阴性标记物GM130，完全符合国际细胞外囊泡学会（ISEV）2018指南标准。

图4. （A）纳米颗粒追踪分析（NTA）显示BExos粒径分布图；（B）透射电镜下外泌体分布情况（比例尺：100 nm）；（C）外泌体特异性标志物CD81、TSG101、CD9、CD63、GM130、CRT的蛋白表达水平。

②体外功能赋能干细胞，定向诱导雪旺样分化

体外研究证实，当BMSCs在该复合水凝胶上培养时，细胞形态发生了显著变化, 从铺展的成纤维样迅速拉长为双极细长梭形，细胞长宽比提升3.6倍（p <0.001），与原生雪旺细胞形态相似度高达85%。细胞活力显著升高（7天后存活率超过92%），相关标志物CD9, GM130，CD63的表达显著上调，空间上PKH67标记的外泌体在接种12小时内即被BMSCs高效内吞，并富集于细胞核周围。在细胞层面揭示了其通过缓释外泌体、直接赋能干细胞，从而定向诱导其向雪旺细胞分化的清晰机制。无需直接移植细胞即可实现细胞疗法的核心效益，突破了传统组织工程中细胞来源与存活难题。

图5. （A）免疫荧光标记复合水凝胶中外泌体介导内吞作用的时空动态变化；（B）左：细胞长度；中：细胞面积；右：CCK-8结果；（C）Calcein-AM/PI染色显示复合水凝胶中细胞活性增强（比例尺：50 μm）。

③动物模型验证：BExos@GelMA/HAMA复合体促进轴突再生与髓鞘结构重建

研究团队在大鼠面神经挤压伤模型中，验证了BExos@GelMA/HAMA复合水凝胶的修复效果。组织学分析显示，复合水凝胶在促进轴突再生、髓鞘修复及抑制纤维瘢痕形成方面展现出显著效果。术后14天取材面神经标本HE染色可见，复合水凝胶组炎性细胞浸润灶较单纯损伤组减少70%以上，神经束膜结构保持完整，未见明显神经内水肿。甲苯胺蓝染色显示，有髓轴突密度恢复至正常的78%，实验组可见新生髓鞘形成且轴突直径厚度更为均匀。

图6. H&E和TB染色结果（比例尺：50 μm，10 μm）。

免疫荧光染色显示实验组NeuN、NF200、βIII-tubulin及S100等神经修复标志物表达显著增强，同时纤维化标志物（α-SMA, Collagen I）的表达被显著抑制，α-SMA阳性肌成纤维细胞几乎不可见，说明其在促进神经再生的同时，有效抑制了纤维瘢痕的形成。该材料在提供物理支撑的同时，有效调控了局部免疫微环境，兼具“高效修复”与“抑制瘢痕”的双重功能，展现出良好的临床转化前景。

图7. BExos@GelMA/HAMA水凝胶在大鼠面神经组织中上调神经修复标志物并抑制瘢痕纤维化

④功能恢复：行为学及电生理指标证实有效改善面神经功能

复合水凝胶组大鼠其触须运动对称性、鼻尖偏差等行为学评分恢复至假手术组的85%，显著优于单纯水凝胶组（65%）和损伤对照组（45%）。术后14天，复合水凝胶组的神经传导速度得到大幅提升，振幅恢复率达到78.3%，表明神经电信号传递功能得到有效恢复。

图8. BExos@GelMA/HAMA水凝胶显著提升大鼠面神经行为学评分和神经传导速度

⑤机制解析：调控巨噬细胞极化的关键

流式细胞术分析显示，与损伤对照组相比，复合水凝胶组损伤局部的M2型巨噬细胞比例显著增加，表明该材料能有效调控免疫微环境向抗炎方向转变。团队对损伤区神经组织进行了深度转录组测序，在19851个检测基因中，685个基因出现显著差异表达。通过蛋白互作网络（PPI）与通路富集分析的交集筛选，锁定了一个关键基因——Nnat（Neuronatin）。Nnat此前被证实在神经发育中介导钙稳态和神经元分化，为明确Nnat是否为该水凝胶发挥免疫调控作用的核心分子，研究团队在LPS诱导的RAW264.7巨噬细胞炎症模型中沉默Nnat表达。

图9. （A）差异表达基因火山图；（B）基因表达小提琴图；（C）韦恩图；（D）307个核心下调基因的热图；（E）基于Nnat表达的富集通路；（F）富集信号通路。

体外实验结果显示， BExos@GelMA/HAMA水凝胶可显著抑制NF-κB p65核转位，降低P38磷酸化水平，减少促炎因子IL-1β和TNF-α的分泌，将M1/M2型巨噬细胞比例显著逆转；而Nnat缺失则导致PI3K/Akt负反馈失调，引发NF-κB和P38信号失控性激活，使细胞陷入炎症状态。Nnat蛋白可能通过抑制PI3K/Akt通路的过度激活，进而阻断下游NF-κB及P38介导的促炎磷酸化级联反应，促使巨噬细胞由M1向M2表型平稳转换，将免疫微环境从“破坏模式”切换至“修复模式”。

图10. （A）体外炎症模型示意图；（B）活性氧（ROS）流式细胞检测图；（C）各组M0、M1、M2型巨噬细胞标志物流式细胞术检测图；（D）相较于水凝胶组，水凝胶+si-Nnat组NF-κB、P38表达水平及PI3磷酸化水平升高；（E）Q-PCR检测结果；（F）细胞活力统计图；（G）细胞凋亡率统计图；（H）TUNEL染色结果（比例尺：50 μm）。（I）炎症因子ELISA检测分析。（∗p <0.05; ∗∗p<0.01; ∗∗∗p<0.001）

图11. Nnat沉默会导致巨噬细胞向促炎M1表型分化，激活NF-κB/P38/ P38信号轴，升高促炎细胞因子水平

三、结论与展望

复合水凝胶可调节的理化性质可以适应各种生物医学场景，被认为是一种周围神经修复中理想的递送载体，研究团队合成的复合水凝胶使GelMA/HAMA水凝胶不再是简单的填充物，而成为了外泌体的“导航”，两者协同发挥结构支撑与免疫调控的双重功能。采用干细胞外泌体可避免免疫排斥，水凝胶缓释系统则克服了外泌体体内半衰期短的瓶颈，并兼具物理屏障、空间引导、免疫调节、促再生等多重功效。研究首次将材料学效应与Nnat基因介导的免疫调控通路清晰关联，更阐明了通过Nnat-PI3K/NF-κB/P38轴调控巨噬细胞极化的全新分子机制。团队从手术中的真实困境出发，坚持临床可操作、可转化的理念，设计此款即配即用、成本可控的普惠型产品，让精准的面神经修复触手可及，为患者重启灿烂笑颜。

参考文献

Chun Chen, Yifei Zhang, Linchao Zhang, Israr Ullah, Lei Hang, Yupeng Liu, Jun Yang, Exosome-functionalized photocrosslinked GelMA/HAMA hydrogel promotes facial nerve recovery via inflammatory microenvironment regulation, Bioactive Materials, Volume 60, 2026, Pages 1-19, ISSN 2452-199X, https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2026.01.008.

全文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X26000083?via%3Dihub

通讯作者介绍

杨军

主任医师，上海交大致远荣誉计划，博士研究生导师

上海交通大学医学院附属新华医院耳鼻咽喉头颈外科主任，上海市优秀学科带头人、上海东方英才计划领军人才，上海耳鼻咽喉科医师分会名誉会长，中国医师协会耳鼻咽喉头颈外科医师分会常委，中国优生科学协会听觉前庭医学分会主任委员，中国医疗保健国际交流促进会听力学分会副主任委员，中国听力医学发展基金会副主任委员，国家重点研发计划项目首席科学家，主持国家重点研发、国家自然科学基金重点/面上项目8项，获得国家科技进步二等奖1项、上海市医学科技二等奖2项，第八届梅尼埃病及内耳疾病国际论坛大会主席，国际Meniere and inner ear society主席，Barany协会会员，Barany教育委员会委员，《眩晕诊断学》、《眩晕内科诊治和前庭康复》、《眩晕外科手术图谱》丛书主编，《颞骨侧颅底解剖与手术图谱》、《耳源性眩晕自助手册》、《听力疾病自助手册》主编，《Frontiers in Neurology》杂志副主编、《Acta Oto-Laryngologica》杂志编委《中华耳鼻咽喉头颈外科杂志》等九种中文杂志编委。

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