生物电在人体中的各种生理活动中起着关键作用，人体中大量的生理过程，包括细胞迁移、增殖、分化到组织修复，都与生物电密切相关。压电材料能够将机械刺激转化为电信号，在骨与软骨组织的重塑和修复中扮演了重要角色。常见的压电材料主要包括无机纳米粒子（如钛酸钡、铌酸钾钠）和有机高分子（如聚偏二氟乙烯）。尽管这些材料具有较好的压电性能，但在体内无法降解，存在潜在的生物安全性问题。此外，研究表明骨髓间充质干细胞（BMSCs）的分化对不同电压有不同反应：较低的电压有助于软骨分化，而较高的电压则促进成骨分化。对于膝关节软骨缺损的修复来说，软骨与骨组织共存的复杂生理结构意味着单一依靠压电材料无法同时满足两者的再生需求，限制了其在软骨修复中应用效果。
为解决上述挑战，北京大学第三医院张辛与北京化工大学蔡晴和喻盈捷团队合作，设计并开发了一种可降解的压电-导电双层水凝胶支架。二苯丙氨酸 ((diphenylalanine，FF) 是由两个苯丙氨酸氨基酸连接而成的二肽，其通过自组装形成的纳米结构展现出优异的压电性能，被认为是一种极具有潜力的压电生物材料。因此，本研究选用FF修饰来增强支架材料的压电性能。压电-导电双层水凝胶支架的上层由猪软骨组织来源的脱细胞外基质（dECM）构成，为了赋予其匹配软骨修复需求的压电特性，研究人员进一步利用FF对dECM水凝胶进行自组装修饰，得到了具有压电效应的dECM软骨区支架（dECM-P）。该双层支架的下层由掺有导电聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）的明胶凝胶构成，为进一步匹配下层骨区的电荷需求，研究人员也采用FF对其进行自组装修饰，得到压电-导电一体化设计的Gel-PC骨区支架。这种独特的双层设计确保了软骨区与骨区支架在电活性上的差异，使得软骨区支架具备更适合软骨分化的电压信号，而骨区支架则具备更低的表面电阻和更高的电导率，适应成骨的需求。
体外实验表明，BMSCs在该双层支架上能实现组织特异性的双向分化，即上层支架促进软骨分化，下层支架则促进成骨分化。此外，团队通过帕尔马猪膝关节全层缺损模型验证了该双层支架的修复效果，结果表明，这种压电-导电一体化设计显著促进了软骨及软骨下骨的再生。这一优异的修复效果主要归功于双层支架在关节运动时通过循环压缩产生的持续电刺激与局部电荷分布。在关节活动中，机械力压缩支架产生电位差，上层支架的正电荷吸引BMSCs向其迁移并分化为软骨细胞，而下层支架积累的负电荷则协同支架的导电性为诱导BMSCs进行成骨分化创造了有利微环境。总的来说，这种压电-导电双层支架为有效修复膝关节骨软骨缺损提供了重要策略。
图1.可生物降解压电-导电一体化双层水凝胶支架修复猪膝关节软骨缺损。
压电-导电一体化双层水凝胶支架的设计
研究团队通过整合压电与导电元件，开发了可降解双层水凝胶支架（图2）。上层支架由猪软骨组织的dECM制备而成，经过双键修饰和FF肽的功能化改性，赋予了上层支架优异的压电性能。支架的下层是通过将导电聚合物 PEDOT 与FF功能化的明胶相结合而形成的，具有良好的导电性能和压电性能。为确保双层结构的稳定性，采用纤维蛋白胶将两层支架粘合在一起。双层水凝胶不仅具备出色的力学稳定性，还能持续输出压电信号，从而实现压电-导电一体化的创新设计。
图2.压电-导电一体化水凝胶支架的制备和表征
压电-导电一体化水凝胶支架诱导BMSCs的成骨/软骨差异分化
通过BMSCs与支架材料的共培养系统，研究了机械力和电刺激对BMSCs成骨和成软骨分化的调控作用（图3）。结果表明，压电刺激在上下层中激活了不同的基因并引起了两者的差异分化。在上层成软骨的测序结果中，有与成软骨相关的基因如ANKRD1等，且富集通路中有Toll样受体信号通路以及FoxO通路等。在下层支架中，CAMK2D的表达显著上调，同时钙离子信号通路也出现富集，表明Ca 2+在压电刺激诱导的BMSCs成骨过程中发挥了积极作用。
图3.压电-导电一体化水凝胶的体外生物相容性和促进细胞分化表征
压电-导电一体化双层水凝胶支架修复猪膝关节软骨缺损
为了研究双层支架的体内压电特性，我们使用电极测量了动物体内，关节运动期间的电压输出（图4b）。结果表明，关节运动引起的变形产生了稳定的电压输出，与体外实验结果一致。此外，研究人员构建了帕尔马猪膝关节8 mm缺损模型，证实了压电-导电一体化双层水凝胶支架显著增强了体内的骨软骨再生过程，相比于其他支架材料组，具有更快的再生修复速率。
图4.帕尔马猪关节8 mm缺损模型全层骨软骨再生的体内效果评价
小结
研究者针对膝关节软骨区域复杂的组织特征和电生理微环境，成功制备了生物可降解的压电-导电双层水凝胶支架，首次提出通过压电-导电一体化材料设计来同时满足软骨与软骨下骨组织在电活性上的不同需求，并通过转录组测序技术揭示了双层支架促软骨、骨修复的作用机制。进一步，在大动物软骨全层缺损模型中验证了压电-导电一体化双层水凝胶支架在促进骨软骨再生方面的显著效果。这一工作为骨关节缺陷治疗提供了重要策略，具有广泛的应用潜力，未来有望进一步推广至其他复杂组织的修复和再生治疗中，推动压电材料在组织工程领域的应用发展。
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来源：高分子科学前沿
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