综述：电场刺激响应性水凝胶用于骨再生：从机制到应用

《Bone Research》：Electric field stimulation-responsive hydrogels for bone regeneration: from mechanisms to applications

这篇综述系统阐述了电场刺激（ES）响应性水凝胶在骨再生领域的应用前景。文章深入探讨了ES通过激活电压门控钙离子通道（VGCC）、Piezo通道及瞬时受体电位（TRP）通道等，调控间充质干细胞（BMSC）、巨噬细胞及血管内皮细胞行为（如促进成骨分化、M2极化及血管生成）的细胞分子机制（如Wnt/β-catenin、BMP/Smad通路）。同时，全面评述了导电水凝胶、压电水凝胶等多种电响应材料的设计策略（如引入聚吡咯PPy、BaTiO3等）、理化特性及其在骨缺损修复中的生物医学应用，并对未来挑战与发展方向进行了展望。

　　

骨骼作为人体重要的支撑器官，随着寿命延长和人口老龄化，肌肉骨骼疾病如骨折和骨质疏松的发病率显著上升，促进骨再生成为亟待解决的医学难题。早在20世纪中期，研究发现电刺激（ES）可通过模拟骨组织内源性电场，影响细胞行为及分子机制，有效促进骨组织愈合与再生。近年来，能够响应电场刺激的电活性水凝胶被开发并应用于调控骨再生不同阶段的细胞功能。

电刺激促进骨再生：细胞响应

骨损伤的修复与再生涉及复杂且相互关联的生物学过程。骨再生主要包括膜内成骨和软骨内成骨两种途径。间充质干细胞（MSC）在此过程中扮演核心角色，可直接分化为成骨细胞并沉积矿化细胞外基质（ECM）。巨噬细胞和破骨细胞同属单核巨噬细胞系统，在骨修复中存在谱系关系。骨折早期，单核细胞募集并分化为促炎M1型巨噬细胞，分泌肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-1β（IL-1β）等细胞因子；炎症消退后极化为M2型，参与组织修复。血管生成构成多功能的运输网络，对组织氧合、代谢及免疫监视至关重要。血管内皮生长因子（VEGF-A）是血管生成的关键调控因子。

电刺激可显著影响这些细胞的行为。例如，ES可通过激活电压敏感钙通道（Ca_V1.2），介导Ca²⁺内流，进而激活TGF-β1/Smad、Wnt/β-catenin信号轴，促进Runt相关转录因子2（Runx2）等成骨转录因子表达。ES还可促进巨噬细胞向M2型极化，以及血管内皮细胞的增殖和迁移。

离子通道的作用

离子通道是电效应的重要执行者。在成骨和发育研究中，关注的离子通道包括电压门控钙通道、压电通道和TRP通道。

电压门控通道，如L型电压敏感钙通道（Ca_V1.2），在骨组织受到电信号或机械负荷刺激时激活，并通过多条通路驱动成骨分化。在破骨细胞中，ES可能通过电压敏感钙通道（VSCC）抑制皱褶缘形成和骨吸收功能。

压电通道（如Piezo1和Piezo2）是机械力激活的离子通道。Piezo1在发育中的长骨存在，并在成骨细胞分化和机械信号转导中起关键作用。力诱导的构象变化可直接激活Piezo1，使其成为成骨细胞中重要的机械力传感器。

瞬时受体电位（TRP）通道是一类阳离子通道，可被热、压力、张力等多种应激源调控。TRPV4可协调TRPM3调控成骨细胞中RANKL和NFATc1的表达，从而影响成骨细胞分化。TRPV1对成骨细胞具有双向作用。

基于电场刺激的电响应水凝胶

在骨组织工程中，水凝胶因其高含水率、三维多孔结构和生物相容性成为理想的骨再生基质。通过掺入导电聚合物、压电材料等电活性材料，可开发出电场刺激响应性水凝胶。

导电水凝胶的设计与功能化：其基质通常分为天然或合成聚合物。天然聚合物如藻酸盐、壳聚糖、透明质酸，具有优异的生物相容性和生物降解性。合成聚合物如聚乙二醇（PEG）、聚乙烯醇（PVA），则具有更可控的结构和更优的力学性能。为使水凝胶具备导电性，常添加金属离子（如Na⁺, Ca²⁺）、碳基材料（如碳纳米管CNT、石墨烯）、共轭π聚合物（如聚吡咯PPy、PEDOT:PSS）或半导体（如黑磷BP纳米片）等导电组分。交联方式（共价键与非共价键）的选择直接影响水凝胶的力学和导电性能。

压电水凝胶的设计与功能：一些压电水凝胶可直接使用压电材料作为水凝胶基质。常见的天然来源压电生物聚合物如丝素蛋白（SF），其β-片层结晶度赋予其固有的压电性。合成聚合物如聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物（如PVDF-TrFE）具有强压电性。也可将压电组分（如钛酸钡BTO、聚乳酸PLLA）掺入非压电基质中赋予水凝胶压电特性。压电性能是关键指标，通常用压电常数d₃₃来量化。

其他电响应水凝胶

基于摩擦电效应的材料也可用于骨修复研究。摩擦纳米发电机（TENG）可将机械能转化为电能。例如，结合压电和摩擦电效应的混合纳米发电机（HTP-NG）可在膝关节运动等机械力作用下产生双相电脉冲，促进成骨。此外，利用静电吸附增强药物与水凝胶的相互作用也是近年研究热点。

电场刺激响应性水凝胶促进骨再生

提供电信号促进细胞活性：模拟天然骨基质的电生理特性是电响应水凝胶的关键特征。导电水凝胶可在体内外产生电信号，模拟骨骼内的电生理环境。加入压电材料使水凝胶能够自发发电，模拟人体活动时骨骼产生的电场。这些电刺激的强度可通过引入材料的比例进行调节。当ES直接作用于细胞时，可激活细胞内信号通路，如PI3K/AKT和MEK/ERK，在骨细胞生长、分化和存活中起关键作用。电信号还能引导干细胞、成骨细胞等向骨缺损部位迁移，促进其增殖，并增强细胞间通讯与相互作用。

细胞外基质的仿生模拟：水凝胶可模仿天然骨细胞外基质（ECM）的力学微环境，其支架具有一定刚度，可为骨细胞提供稳定的物理支撑。通过优化力学微环境，可提供稳定的应力传递。例如，开发的压电复合水凝胶微球可将应力转化为电能。水凝胶还能局部调控炎症微环境。

活性分子与药物的精准递送或控释：凭借三维网络和多孔结构，水凝胶成为理想的药物递送载体。通过表面矿化、壳修饰或优化静电相互作用，可实现药物的可控释放。温度敏感性水凝胶可通过其相变行为调控释放动力学。在骨形成因子递送系统中，水凝胶可通过保护蛋白质活性、维持局部浓度，提高动物模型的骨密度（BMD）和小梁骨数量（Tb.N）。

骨组织再生的动态监测

原位监测骨再生可通过获取重要生物学参数实现及时诊断与干预。电阻抗谱（EIS）是一种电化学测试技术，可实时监测由增殖、凋亡或细胞间相互作用引起的细胞变化。例如，利用EIS结合荧光显微镜技术，可全面监测三维细胞培养系统。碱性磷酸酶（ALP）也是反映成骨活性的标志物。例如，将荧光探针掺入水凝胶，可利用近红外荧光（NIR-FL）成像监测ALP表达。此外，用荧光素标记药物或材料也有助于监测药物位置和软骨层修复进程。

挑战与展望

电刺激水凝胶虽展现出巨大潜力，但其临床转化仍面临关键瓶颈。生物安全性方面，电活性材料可能存在毒性风险，需明确其降解产物在体内的积累位点、数量及对生理功能的影响，并建立长期生物安全性评价方法。动物模型方面，现有研究多采用自愈能力强的小鼠模型，与人类骨骼代谢的复杂性存在差异，未来需在生理结构更接近人类的大型动物模型中进行功能验证。临床可行性方面，部分导电水凝胶需外接电源产生局部微电流，经皮供电存在障碍；内置电池虽能稳定供能，但可能存在化学毒性等风险；且现有系统缺乏对电刺激参数的实时反馈与动态调整能力，增加了患者使用负担。未来研究需着力优化生物安全性、选择合适的动物模型并评估临床可行性，以推动电刺激水凝胶的广泛应用。