김건구 (Tsinghua University) | 한빛사논문 > 한빛사

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Tsinghua University

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Biomaterials, Aug 29 2026, 337 S0142-9612(26)00616-2 | https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2026.124592 An energy-boosting hydrogel couples magnetoelectrical stimulation and metabolic support for enhanced spinal cord regeneration

Jie Zhang ^{a b 1}, Kunkoo Kim ^{a 1}, Yaosai Liu ^{c 1}, Chao Ma ^d, Toshitatsu Nagayasu^a, Junlin Chen ^a, Sengpav Tong ^a, Jia Yang^a, Zifan Li ^a, Xiaobin Luo ^e, Kaiyuan Yang ^b, Zheng Cao ^a, Guihuai Wang ^b*, Xiumei Wang ^a*

^aState Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing & Key Laboratory of Advanced Materials, School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, China
^bDepartment of Neurosurgery, Beijing Tsinghua Changgung Hospital, School of Clinical Medicine, Tsinghua Medicine, Tsinghua University, Beijing, 100084, China
^cDepartment of Neurosurgery, Qilu Hospital (Qingdao), Cheeloo College of Medicine, Shandong University, 758 Hefei Road, Qingdao, Shandong, 266035, China
^dDepartment of Neurosurgery, Beijing Chaoyang Hospital, Capital Medical University, Beijing, 100020, China
^eDepartment of Orthopedics, Beijing Tsinghua Changgung Hospital, School of Clinical Medicine, Tsinghua University, Beijing, 102218, China

^*Corresponding authors: Guihuai Wang, Xiumei Wang
¹Jie Zhang, Kunkoo Kim, Yaosai Liu contributed equally to this work.

Abstract

Spinal cord injury (SCI) disrupts both neural and vascular networks, leading to a dual deficiency of bioelectric and biochemical energy that severely impedes neuroregeneration. To address this challenge, we developed an energy-boosting hydrogel that integrates biosafe electrical stimulation with a sustained-release biochemical energy system, thereby alleviating energy deficits to promote neural repair. Biodegradable potassium sodium niobate/ferrosoferric oxide (KNN/FO) nanoparticles were synthesized to enable in situ magnetoelectric conversion, and their efficacy in promoting regeneration through electrical stimulation was confirmed in vitro. Transcriptomic and metabolomic analyses further elucidated the synergistic mechanisms between bioelectric and biochemical energy pathways. Based on these findings, phosphocreatine-grafted chitosan (PCr-C) was prepared for sustained biochemical energy release and integrated with KNN/FO nanoparticles into a 3D-printable gelatin-based composite hydrogel (PCr-CGNP). In a rat SCI model, PCr-CGNP successfully achieved dual-energy delivery under a magnetic field and significantly promoted neuroregeneration. This study elucidates the critical role of bioelectric and biochemical energy in post-SCI neuroregeneration and establishes a novel hydrogel-based dual-energy synergistic delivery strategy, providing a theoretical and therapeutic foundation for spinal cord repair.

논문소개전체 설명

척수 손상 후에는 신경조직의 구조적 손상뿐만 아니라 신경 재생에 필요한 생체전기적 자극과 세포 대사 에너지의 부족이 동시에 발생합니다. 기존의 전기자극 기반 재생 전략은 신경세포의 활성과 축삭 재생을 촉진할 수 있지만, 손상된 조직의 에너지 대사가 충분히 회복되지 않은 상태에서는 이러한 재생 반응을 지속적으로 유지하기 어렵다는 한계가 있습니다.

본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 자기전기 자극(magnetoelectrical stimulation)과 대사 에너지 공급(metabolic support)을 동시에 제공하는 ‘dual-energy’ 하이드로젤 시스템을 개발하였습니다. 자기전기 나노입자인 KNN/FO를 하이드로젤에 도입하여 외부 자기장에 반응해 국소적인 전기자극을 생성하도록 하였으며, 동시에 phosphocreatine이 결합된 chitosan(PCr-C)을 이용하여 손상 부위의 세포에 지속적인 대사 에너지를 공급하도록 설계하였습니다. 이를 3D 프린팅 가능한 gelatin 기반 하이드로젤에 통합하여 척수 손상 부위에 적용할 수 있는 재생 플랫폼을 구축했습니다.

실험 결과, 자기전기 자극은 신경세포의 재생 관련 활성을 촉진하였으며, phosphocreatine 기반 대사 지원은 손상 환경에서 세포의 에너지 대사를 보완하였습니다. 특히 두 가지 에너지 공급을 함께 적용했을 때 각각을 단독으로 적용했을 때보다 신경 재생 효과가 더욱 향상되었으며, 전사체 및 대사체 분석을 통해 이러한 시너지 효과가 신경 재생과 에너지 대사 관련 생물학적 경로의 동시 조절과 연관되어 있음을 확인하였습니다.

또한 완전 척수 절단 동물 모델에서 본 하이드로젤과 자기장 자극을 병행한 결과, 신경조직 재생과 기능적 회복이 유의하게 향상되었습니다. 본 연구는 척수 재생을 단순히 외부 자극의 관점에서 접근하는 것을 넘어, 재생을 유도하는 전기적 신호와 이를 지속할 수 있도록 뒷받침하는 세포 대사 에너지를 함께 고려해야 한다는 새로운 관점을 제시합니다. 이러한 dual-energy 전략은 향후 척수 손상뿐만 아니라 다양한 신경조직 재생을 위한 생체재료 설계에도 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

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