張學(xué)慧

（北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院 ? 口腔材料研究室 ?口腔醫(yī)療器械檢驗中心 ?國家藥品監(jiān)督管理局口腔材料重點實驗室，北京 100081）

骨組織具有獨(dú)特的電學(xué)特性，主要來自于相關(guān)細(xì)胞如骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞等與骨細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用，可視為介電性能、壓電性能、熱電性能、鐵電性能和流動電位的組合。骨組織的電學(xué)特性是調(diào)節(jié)其穩(wěn)態(tài)、重塑和再生的關(guān)鍵因 素。

電活性生物材料是一類在外界刺激下能夠產(chǎn)生電信號或在外界電刺激的作用下可以改變自身理化特性的生物材料，其主要包括導(dǎo)電材料和壓電材料。其中導(dǎo)電材料主要分為碳基材料、金屬材料和導(dǎo)電聚合物等，通常需要在外加電源刺激下向細(xì)胞傳遞電信號，從而調(diào)控細(xì)胞的黏附、增殖、自我更新以及分化等一系列細(xì)胞行為，進(jìn)而介導(dǎo)組織的再生與修復(fù)。壓電材料主要分為無機(jī)壓電材料、有機(jī)壓電材料及壓電復(fù)合材料，其特點為無需外加電源刺激，僅通過施加外力使材料形變即可向細(xì)胞傳遞電信號。該類材料因仿生天然骨的壓電特性以及良好的力學(xué)性能，已成為當(dāng)前骨修復(fù)材料領(lǐng)域的研究熱點。本文擬從仿生角度淺談導(dǎo)電和壓電兩類電活性生物材料在骨再生修復(fù)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)，為提升骨再生治療效果、發(fā)展臨床新技術(shù)提供新的思路。

1 骨組織的主要電學(xué)特性

1.1 骨的壓電特性

天然骨組織的壓電效應(yīng)由日本學(xué)者Yasuda于1953 年首次報道。隨后在1957 年報道了骨在受剪切力作用下的壓電效應(yīng)。這些現(xiàn)象充分證明了天然骨組織的壓電效應(yīng)和骨組織作為壓電體的事實，并引起了對骨組織壓電特性產(chǎn)生機(jī)制的廣泛研究。構(gòu)成骨基質(zhì)的主要成分是以羥基磷灰石（HA）結(jié)晶形式存在的磷酸鈣鹽（約 70 wt%）和以骨膠纖維形式存在的 I 型膠原（約占 30 wt%）。早期有學(xué)者認(rèn)為骨的壓電效應(yīng)歸功于骨組織的基本成分羥基磷灰石，但目前主流觀點認(rèn)為，具有非中心對稱結(jié)構(gòu)的膠原纖維是骨壓電效應(yīng)的主要來源組分。

骨骼因壓電效應(yīng)產(chǎn)生的極化可促進(jìn)骨骼生長和愈合，即著名的Wolff定律。骨可以通過機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)換，維持骨的代謝活動，促進(jìn)骨的功能改建，其生物學(xué)效應(yīng)為——帶負(fù)電端促進(jìn)成骨，正電面促進(jìn)骨吸收。有研究指出長骨在受力過程中會在骨表面兩側(cè)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，這種極化現(xiàn)象會受到骨改建的反饋而抵消，最終達(dá)到骨組織的動態(tài)平衡。此外，牙齒在進(jìn)行矯正過程中也會受到一定的機(jī)械力，在牙根周圍產(chǎn)生極化，由此形成的骨吸收和骨形成相互作用導(dǎo)致牙齒移動，從而達(dá)到牙齒矯正目的?？傊?，骨組織的天然壓電特性在骨重建修復(fù)過程中的關(guān)鍵作用將為人工骨修復(fù)材料的仿生電學(xué)設(shè)計提供思路。

1.2 骨的生理電位和損傷電位

研究證實：大量組織包括骨組織存在特定的生理電位，而且在骨組織出現(xiàn)創(chuàng)傷或缺損時會在損傷處呈現(xiàn)出一定的損傷電位。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)骨組織在不受應(yīng)力時其表面存在靜態(tài)電位，而在受力后其電位則會出現(xiàn)明顯變化。同時，在骨折或骨缺損條件下，創(chuàng)傷區(qū)域及遠(yuǎn)端骨片呈現(xiàn)明顯的負(fù)電位，并隨著愈合逐漸恢復(fù)正常。也有學(xué)者認(rèn)為，這一電生理環(huán)境的變化，為外源性電刺激的介入并促進(jìn)缺損區(qū)域的修復(fù)提供了基礎(chǔ)。因此，天然骨組織的生理電位和損傷電位將為電活性骨修復(fù)材料的參數(shù)設(shè)計和性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2 電活性骨修復(fù)材料

2.1 導(dǎo)電性骨修復(fù)材料

近年來研究較多的導(dǎo)電性骨修復(fù)材料主要有碳基材料和導(dǎo)電聚合物。碳基導(dǎo)電性骨修復(fù)材料主要有石墨烯和碳納米管等。石墨烯類導(dǎo)電性材料多以膜、3D泡沫以及水凝膠的形式用于干細(xì)胞成骨分化和骨再生研究。特別是石墨烯與HAP磷酸鈣或生物活性玻璃BG復(fù)合，將石墨烯的良好導(dǎo)電性和陶瓷材料的骨傳導(dǎo)性結(jié)合起來，為骨再生創(chuàng)造了有利的微環(huán)境，而石墨烯材料的抗菌特性增加了其在組織植入電活性生物材料領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。目前，碳納米管（CNT）在骨再生中的應(yīng)用效果仍存在爭議。有研究顯示：CNT 可促進(jìn)MSC 成骨分化和體內(nèi)異位成骨。然而，另有報道稱羧化 CNT 對人 MSC 的成脂、成骨和成軟骨均無顯著影響。 據(jù)報道：羧化 CNT可抑制小鼠 MSCs 增殖、成骨分化和成脂分化，推測CNT在大小、濃度和表面氧含量以及干細(xì)胞來源方面的差異可能是導(dǎo)致結(jié)果不一致的影響因素。

導(dǎo)電聚合物由于其對電信號的響應(yīng)性，在骨再生中顯示出巨大的潛力。多項研究表明，導(dǎo)電聚合物包括多孔PEDOT：PSS，PEDOT/PCL，PANi/PLA納米纖維支架和PHB-PANi均可誘導(dǎo)干細(xì)胞成骨分化和骨再生。也有一些報道將這些材料體系與外部電刺激加載相結(jié)合用于骨再生研究。此外，導(dǎo)電聚合物還具備清除和調(diào)控ROS的能力，用于骨缺損早期炎癥階段的骨再生具有明顯的優(yōu)勢。總之，導(dǎo)電性骨修復(fù)材料不僅可以響應(yīng)骨修復(fù)過程中的生物電信號，促進(jìn)骨再生，而且其具有生物降解性、高機(jī)械強(qiáng)度和良好的骨融合性，在材料制備和生物學(xué)功能方面均具有較好的應(yīng)用前景。

2.2 壓電性骨修復(fù)材料

受骨壓電特性的啟發(fā)，壓電生物材料在骨修復(fù)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。在壓電性骨修復(fù)材料中，最常見的有壓電陶瓷、壓電聚合物及其復(fù)合材料。壓電陶瓷最常見的有鈦酸鋇（BaTiO3，BTO）、鈮酸鉀鈉（KNN）、鐵酸鉍（BiFeO3，BFO）等。早在20世紀(jì)90年代我國學(xué)者就報道了壓電陶瓷鈦酸鋇和羥基磷灰石組成的復(fù)合材料對犬下頜骨缺損修復(fù)的有效性。近幾年也有采用生物相容性鈮酸鉀鈉（KNN）壓電陶瓷作為引導(dǎo)骨再生植入體材料，極化處理后的KNN陶瓷作為一種具有電活性的新型生物材料，通過模擬天然骨的壓電特性，在骨再生研究領(lǐng)域表現(xiàn)出突出潛力。本課題組前期通過在鈦酸鍶（SrTiO3，STO）基底上構(gòu)建鐵酸鉍（BiFeO3，BFO）鐵電納米層，調(diào)節(jié)該帶電層的電性和電勢量級大小，使其表面帶電層與缺損骨壁形成內(nèi)建電場，顯著促進(jìn)植入體的早期骨結(jié)合。

壓電聚合物最常見的有聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）及其共聚物聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P（VDF-TrFE）），目前已經(jīng)被廣泛證實其對間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化具有良好的促進(jìn)作用。與單獨(dú)的壓電陶瓷或壓電聚合物相比，壓電復(fù)合材料顯示出更高的機(jī)械穩(wěn)定性與力學(xué)支撐作用，本課題組前期提供設(shè)計構(gòu)建仿生電活性BTO/P（VDF-TrFE）納米復(fù)合膜材料，重構(gòu)骨缺損電學(xué)微環(huán)境，已被證明在調(diào)控免疫反應(yīng)及促進(jìn)骨缺損修復(fù)方面的積極作用，有望發(fā)展為新一代骨再生修復(fù)膜，在生理條件下及糖尿病條件下的骨缺損修復(fù)治療均有較好的應(yīng)用前景。以上研究表明，壓電性骨修復(fù)材料因其具備電量可調(diào)控、與天然骨組織電學(xué)特性適配性等優(yōu)勢，將在頜骨缺損植入修復(fù)尤其是種植修復(fù)領(lǐng)域成為潛在的骨替代材料。

3 挑戰(zhàn)與展望

電活性骨修復(fù)材料在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了令人矚目的進(jìn)展，從促進(jìn)細(xì)胞遷移、增殖和成骨分化，到調(diào)控骨再生均得到了充分的證實。然而，最終將基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)，也具有廣泛的發(fā)展空間。總體上，目前有關(guān)電活性骨修復(fù)材料的研究主要集中于材料電學(xué)特性仿生設(shè)計及其促進(jìn)成骨作用的有效性方面，而在材料設(shè)計、生物學(xué)機(jī)制以及臨床轉(zhuǎn)化等方面仍然存在明顯不足：

（1）在材料設(shè)計方面，缺乏材料電學(xué)特性與細(xì)胞或組織其他特性之間的協(xié)同，在未來的電活性材料功能優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)考慮材料電學(xué)特性與磁、熱、力等其他物理特性的協(xié)同可控，并能夠伴隨組織修復(fù)過程中對電刺激響應(yīng)的不同需求而實現(xiàn)時序性動態(tài)調(diào)控。

（2）在生物學(xué)機(jī)制方面，對電活性骨修復(fù)材料促進(jìn)骨再生的生物學(xué)過程缺乏系統(tǒng)深入認(rèn)識，尤其是電活性材料植入體內(nèi)后對機(jī)體免疫系統(tǒng)相互作用及其如何影響免疫應(yīng)答，進(jìn)而啟動組織修復(fù)進(jìn)程，這一過程的深入了解對電活性骨修復(fù)材料的性能提升具有重要意義。

（3）在臨床轉(zhuǎn)化方面，目前對電活性材料成分的生物相容性尤其是長期生物安全性重視不夠，如一些納米材料的生物安全性和可降解導(dǎo)電聚合物的降解產(chǎn)物的代謝途徑等。

（4）其他：對電活性材料臨床應(yīng)用過程中的電刺激方式的臨床可操作性和適用性也應(yīng)高度重視。如壓電性材料在極化處理后可使材料保持自身帶電，由于其無需外加力學(xué)刺激或外加電場等裝置，具有良好的臨床可操作性和高度患者依從性，將來可能作為潛在的電活性材料來源的電刺激治療策略。

綜上所述，電活性骨修復(fù)材料在未來的骨修復(fù)與再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景和發(fā)展空 間。