骨质疏松通常被理解为“骨量减少”：破骨细胞过度活跃，成骨细胞补充不足，最终导致骨密度下降、骨小梁断裂和骨折风险升高。
但骨骼并不是一块被动承重的“支架”。人在行走、跑步时，骨组织会受到周期性机械负荷，并通过压电效应、流动电位等力-电耦合过程产生微弱电信号。这些与运动同步的电信号，也是调节骨形成和骨吸收的重要生理线索。
那么，骨质疏松是否不仅意味着骨量减少，还伴随着骨组织力-电转换能力下降？能否把压电材料送入骨骼，让它在运动时产生电信号，从而重新连接“运动—生物电—骨重塑”这条通路？
2026年，《Bioactive Materials》发表了一项颇具启发性的研究。研究团队构建了一种可以口服、能够靶向骨组织，并可被运动激活的压电水凝胶微球，将其形象地称为骨骼“生物电起搏器”。
论文信息
论文题目为《A motion-activated skeletal “Pacemaker” for systemic bone remodeling via oral piezoelectric microspheres》，中文可译为《通过口服压电微球构建运动激活的骨骼“起搏器”，促进全身骨重塑》。
本文的通讯作者是沈皆亮、白定群、韩晓宇三位老师。研究团队主要来自重庆医科大学附属第一医院、重庆医科大学璧山医院、山东大学齐鲁医院等单位。
论文发表于《Bioactive Materials》2026年第65卷，页码311-332，DOI为10.1016/j.bioactmat.2026.05.051。
1从“骨量失衡”到“生物电节律减弱”
正常骨组织中的胶原纤维、矿物晶体和骨小梁结构具有一定的力-电转换能力。当骨骼承受周期性负荷时，组织内部产生的电信号也随运动节律而变化。作者将这种现象概括为“骨内源性生物电节律”。
骨质疏松发生后，骨量减少、骨小梁断裂、皮质骨变薄，胶原-矿物结构也遭到破坏。作者因此提出，骨质疏松骨组织将机械刺激转化为电信号的能力可能同步减弱。
传统电刺激虽然能够促进成骨，但通常依赖体表电极或植入式装置，存在刺激深度有限、难以覆盖全身骨骼以及不能自然跟随运动节律等问题。压电材料则可以直接把机械能转化为电能，不需要外接电源。只要能够将压电材料富集到骨组织，日常运动本身就可能成为激活信号。
这里的“起搏器”是一种功能性比喻。它不像心脏起搏器那样自主发放电脉冲，而是在骨骼受力时，将机械刺激转化为与运动同步的局部电信号。
2三层设计，解决“如何口服送到骨骼”
为了实现这一目标，研究团队设计了一个由压电核心、骨靶向分子和口服保护外壳组成的递送系统。
第一层是四方相钛酸钡纳米颗粒BaTiO₃，也就是BTO。它是整个系统的压电核心，可以在受到机械形变时产生电信号。压电力显微镜检测显示，BTO@ALN的压电系数约为8.29 pm/V，与论文引用的天然骨组织压电系数范围较为接近。
第二层是阿仑膦酸钠ALN。研究人员将ALN接枝到BTO表面，得到BTO@ALN。ALN对骨组织中的羟基磷灰石具有较高亲和力，因此既承担骨靶向作用，也保留了双膦酸盐抑制骨吸收的药理活性。
第三层是海藻酸钠/壳聚糖核壳水凝胶微球。研究人员利用气辅微流控技术，将BTO@ALN包裹在海藻酸钠微球内部，再在表面形成壳聚糖保护层。这一外壳可以降低胃酸环境中的提前泄漏，并在接近中性的小肠环境中逐渐解离。
模拟胃肠液实验显示，微球在胃液中保持相对稳定，进入模拟小肠液后逐渐释放，约95%的压电颗粒可在4小时内释放。壳聚糖还提高了微球对肠黏膜的黏附和滞留能力，使小肠滞留时间延长至约4小时。
3口服之后，压电颗粒真的能到达骨骼吗？
研究人员利用荧光标记和活体成像追踪材料分布。口服后，BTO@ALN相关信号在约8小时达到高峰，并与多个骨骼区域出现明显重叠；没有ALN修饰的BTO则更快衰减，并更多出现在肾脏区域。
进一步的股骨离体成像和ICP-OES元素定量表明，ALN修饰使压电颗粒的骨组织富集水平提高约6.8倍。颗粒在松质骨丰富的股骨近端和远端分布较多，可能与这些部位具有更大的矿化表面积和更多羟基磷灰石结合位点有关。
研究人员随后对股骨施加2 Hz、10 N的正弦机械负荷并记录输出电压。骨质疏松小鼠股骨的机械诱导电信号低于正常小鼠，支持骨质疏松骨组织力-电响应减弱这一判断。
一次口服微球后，股骨输出电压在24小时明显升高，并在第1至第5天保持较高水平；第7天虽有所下降，但仍高于未治疗组，到第14天才接近对照水平。24小时内，股骨压电性能提高约52%。这些结果也为研究采用每周一次给药提供了依据。
4细胞实验：一边抑制破骨，一边促进成骨
研究团队首先使用小鼠骨髓来源巨噬细胞，在RANKL诱导下建立破骨细胞分化模型。同时采用周期性牵张系统施加1%应变、1 Hz、每天2小时的低强度机械刺激。
实验设置了单独牵张、单独BTO@ALN、压电BTO@ALN联合牵张，以及非压电立方相BTO联合牵张等对照。这样的设计可以尽量拆分ALN、机械牵张和压电效应各自的贡献。
结果显示，BTO@ALN能够减少TRAP阳性多核破骨细胞，并降低CTSK和NFATc1等破骨相关指标；加入机械牵张后，抑制效果进一步增强。相同条件下，非压电BTO对照的作用弱于四方相压电BTO，说明增强效应不能完全由ALN或牵张本身解释。
在成骨实验中，研究人员使用小鼠骨髓间充质干细胞进行成骨诱导。单独低强度牵张或单独BTO@ALN只带来较温和的变化，而BTO@ALN联合牵张明显提高RUNX2、ATF4、COL1A1和Osterix等成骨指标，并增强ALP染色和茜素红矿化结节形成。
换句话说，压电材料只有在受到机械刺激后，才充分表现出“运动激活”的生物学优势。
5动物实验：低强度跑台运动放大治疗效果
为了验证全身治疗作用，研究人员使用8周龄雌性C57BL/6小鼠，通过双侧卵巢切除建立绝经后骨质疏松模型。术后2周开始干预，微球每周口服灌胃一次，连续8周。
运动干预采用SA101小动物跑步机，参数为坡度0°、速度5 m/min、每次20分钟、每周3次，连续8周。这套方案被有意设置为较低强度，目的是提供稳定机械输入，同时尽量降低运动本身作为强治疗因素的影响。
动物分组包括假手术、OVX、单独运动、单独ALN、口服压电微球、非压电微球联合运动，以及压电微球联合运动等组别。
Micro-CT结果显示，OVX小鼠出现典型骨质疏松表现，股骨远端骨小梁稀疏、变细并发生断裂，骨密度降至假手术组的约42%。口服压电微球后，骨密度恢复至假手术组的约55%；联合低强度运动后进一步恢复至约72%，骨体积分数、骨小梁数量和皮质骨厚度也同步改善。
三点弯曲实验表明，联合治疗提高了股骨最大载荷和弯曲强度，说明改善并不只体现在影像学骨量上，也转化为更好的骨力学性能。
血清学检测进一步显示，压电微球降低了骨吸收标志物CTX-1，并部分恢复骨形成标志物PINP；联合运动后，CTX-1进一步下降，PINP则明显升高。相比之下，单独ALN主要表现为抑制骨吸收，对恢复骨形成的作用相对有限。
组织学结果与此一致：联合治疗减少TRAP阳性破骨细胞以及CTSK、MMP-9表达，同时增加胶原沉积，并提高COL1A1、OPN和OCN等成骨相关蛋白水平。论文报告，加入低强度运动后，成骨相关效果提高约2.4倍，骨吸收抑制效果增强约1.5倍。
6转录组给出的机制线索
为了分析分子机制，研究人员对小鼠股骨组织进行了RNA测序。
压电微球组与OVX组比较时，破骨细胞分化和吸收功能相关基因Gpnmb明显下调。结合通路富集结果，作者认为ALN可能通过抑制FPPS/甲羟戊酸通路，影响小GTP酶异戊二烯化和破骨细胞骨架组装，进而降低GPNMB、CTSK和MMP-9等骨吸收程序。
压电微球联合运动组与单独运动组比较时，Trpa1显著上调，相关网络涉及Ca²⁺跨膜转运、PI3K/Akt信号和成骨分化。作者据此提出：运动使骨表面的BTO@ALN发生微小形变并产生电信号，可能激活TRPA1、促进Ca²⁺内流，随后通过PI3K/Akt-RUNX2通路提高成骨基因表达。
需要强调的是，这部分主要来自转录组、富集分析和组织表型之间的一致性。论文尚未通过TRPA1抑制剂、基因敲除或通路阻断实验完成因果验证，因此更准确的说法是“提出并支持了一条可能的机制通路”，而不是已经完全证实。
7这项研究创新在哪里？
这项研究首先将骨质疏松从单纯的骨代谢失衡，拓展到骨组织运动相关生物电节律减弱这一物理病理维度。
其次，它把以往主要依靠局部植入的压电骨修复材料，改造成可口服、可骨靶向富集的全身递送系统，更贴合骨质疏松累及全身骨骼的疾病特点。
更重要的是，这套系统把运动从独立治疗手段转化为材料的激活开关：药物负责骨靶向和抑制骨吸收，压电材料负责把机械负荷转换为电信号，低强度运动负责提供可重复的能量输入。
论文还设置了非压电立方相BTO、单独ALN和单独运动等关键对照，使药物作用、机械刺激作用与压电作用得到较清晰的区分。这比简单比较“治疗组与模型组”更有助于说明材料为何有效。
8距离临床应用还有多远？
这项工作目前仍属于动物实验阶段。OVX小鼠可以模拟绝经后骨丢失，但无法完整代表人类骨质疏松的年龄、代谢和合并疾病背景。
研究显示，中等剂量可以兼顾骨保护和软组织暴露，而高剂量会提高肝、肾、脾中的钡含量。因此，长期口服安全性、颗粒在骨组织中的降解和清除，以及反复给药后的潜在蓄积仍需更长时间观察。
此外，疗效部分依赖运动激活。不同患者的活动能力、骨折风险和运动依从性差异较大，未来需要建立与材料剂量匹配的标准化运动处方。对于无法规律活动或长期卧床的患者，这一策略能否保持足够效果也需要单独评估。
9结语
这篇论文最重要的贡献，不只是制备了一种新的口服微球，而是构建了一条完整的治疗闭环：通过水凝胶微球保护口服递送，通过ALN实现骨靶向和抗骨吸收，再利用日常运动激活压电材料，将机械负荷转化为局部电信号，最终同时抑制破骨并促进成骨。
它也提供了一种理解骨质疏松的新视角：骨骼健康不仅取决于“有多少骨”，还取决于骨组织能否正确感受机械环境，并将运动转化为维持骨稳态的生物信号。
从小鼠实验走向临床仍有相当距离，但“口服递送+骨靶向+运动供能+生物电调控”的组合，为全身性骨质疏松的生物材料治疗提供了一条值得继续探索的路线。
在该研究中，研究人员使用了赛昂斯小动物跑步机（SANS，SA101）来进行实验操作。
SA101 小动物跑步机
大小鼠跑步机主要用于小鼠、大鼠及其他动物的训练和新陈代谢研究，使用它可以让动物的训练量化更加准确；同时，小动物跑步机又是动物体能、耐力、运动损伤、运动营养药物、运动生理和病理等研究的必要实验设备。
大小鼠跑步机由跑步平台、跑道、刺激模块以及控制器组成。平台可放置多个跑道，容纳多个被试动物，跑道顶部有可开合的盖子，方便取放动物和防止动物逃脱。跑台的核心部件是一条持续滚动的输送带，其表面材料设计有利于动物稳固抓握；操作流程可设置多种刺激方式和多个阶段流程，实现匀速、匀加速、匀减速等运动模式。
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