《Exploration》：Harnessing Piezoelectric Biomaterials for Pathogenic Eradication and Tissue Regeneration
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这篇综述系统性地总结了压电生物材料在病原体清除和组织再生领域的最新进展。文章全面概述了压电生物材料的分类、压电催化机制及性能优化策略，重点探讨了其在抗菌治疗（针对浮游菌、生物膜及植入物感染）和再生医学（皮肤、骨、软骨、神经等组织再生）中的应用潜力。通过分析压电材料（如BaTiO3、PVDF、ZnO等）在超声（US）等机械刺激下产生活性氧（ROS）和电信号的特性，揭示了其在抗感染（如破坏细菌膜、代谢过程）和促进细胞迁移/分化（如激活Ca2+通道、Wnt/β-catenin通路）中的双重功能。最后，文章指出了材料生物安全性、压电效率优化及临床转化等挑战，为未来研究提供了方向。
压电生物材料：从病原体清除到组织再生的创新平台
压电生物材料是一类能够将机械能转化为电能的功能材料，因其独特的电信号输出特性，在生物医学领域展示了广阔的应用前景。这类材料在受到超声、生理活动等机械刺激时，因其非中心对称的晶体结构发生形变，产生内部电场，驱动电荷分离，进而催化化学反应或直接调控细胞行为。
压电生物材料的分类与性能优化
根据结构和来源，压电生物材料可分为无机压电材料（如钛酸钡BTO、氧化锌ZnO）、有机压电材料（如聚偏氟乙烯PVDF及其共聚物、聚左旋乳酸PLLA）以及压电复合材料。为提升其压电性能，研究者们发展了多种策略，包括调控晶粒尺寸与形貌、构建缺陷（如氧空位）、引入掺杂剂（如硫、镧）以及形成异质结复合材料。例如，将BTO纳米颗粒与聚合物PVDF复合，可结合前者高压电系数和后者良好柔韧性的优点。
压电催化的抗菌机制
压电生物材料在机械力（如超声）作用下产生压电电势，进而引发一系列抗菌效应。其主要机制包括：
- 1.
产生活性氧（ROS）：压电催化反应能将周围环境中的水（H2O）和氧气（O2）转化为羟基自由基（·OH）、超氧阴离子（·O2-）等ROS，这些高活性物质能有效破坏细菌细胞结构。
- 2.
破坏生物膜结构：压电材料表面电荷可转移至细菌胞外聚合物（EPS）基质中，破坏其分子结构，增强抗菌剂的渗透。
- 3.
干扰细菌膜通透性与代谢：材料表面电荷与带负电的细菌膜发生库仑相互作用，改变膜通透性，同时产生的电场可干扰细菌电子传递链（ETC），阻碍ATP合成。
这些机制使得压电材料能有效对抗浮游细菌和生物膜感染，并且不易诱导细菌产生耐药性。
在病原体清除中的应用
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软组织感染：例如，由BaTiO3（BTO）纳米颗粒与聚合物构成的压电薄膜或水凝胶，在超声激活下能高效清除伤口中的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，加速感染伤口愈合。
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骨髓炎治疗：针对深部骨组织感染，压电材料如硫掺杂BTO（SDBTO）或钼酸铋（BiFeO3）/Ti3C2异质结，能在超声驱动下清除病原体，同时下调炎症反应，促进成骨分化。
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植入物相关感染：通过在钛植入体表面构建压电涂层（如TiO2/Bi2WO6异质结），可以利用日常咀嚼等微动或外部超声刺激产生抗菌信号，预防或治疗植入物周围炎。
在组织再生中的应用与机制
生物体本身存在内源性生物电信号，对组织发育和修复至关重要。压电生物材料可模拟这一微环境，通过产生电信号调控细胞行为。
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电信号机制：压电材料产生的局部电场可激活电压门控钙离子通道（VGCCs），促使Ca2+内流。细胞内Ca2+浓度升高可激活钙调蛋白（CaM）、cAMP/PKA等信号通路，进而调控RUNX2、ALP、骨钙素（OCN）等成骨标志基因的表达，促进骨再生。此外，电刺激还能调节ROS水平和生长因子表达，激活ERK/MAPK、PI3K/Akt等通路，影响细胞迁移、增殖和分化。
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机械信号机制：细胞感知材料表面的机械刺激（如刚度、形貌），通过Piezo1等机械敏感离子通道转导信号，激活Wnt、TGF-β等与骨形成相关的信号通路。
具体应用包括：
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皮肤再生：压电敷料（如BTO/PDMS复合膜）可将身体活动产生的机械能转化为电刺激，促进成纤维细胞迁移和血管生成，加速急慢性伤口愈合，尤其在糖尿病伤口模型中效果显著。
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骨再生：压电支架（如PHB/壳聚糖/ZnO复合支架）在超声刺激下产生的电信号能激活Wnt/β-catenin等成骨通路，促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）的成骨分化，用于修复骨缺损，甚至在骨质疏松或肿瘤切除后的骨再生中发挥作用。
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软骨修复：可降解的压电-导电复合水凝胶支架能提供双向分化微环境，同时促进软骨和软骨下骨的再生，用于治疗骨软骨损伤。
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神经再生：压电神经导管（如ZnO/PCL复合导管）在超声激活下产生电刺激，可促进施万细胞活性和轴突生长，修复周围神经缺损。在脊髓损伤模型中，三维压电支架能引导神经干细胞分化和血管生成，改善运动功能恢复。
挑战与展望
尽管压电生物材料展现出巨大潜力，但其临床转化仍面临挑战：材料的长效生物安全性、生物可降解性需进一步评估；压电催化效率有待提高；超声刺激参数需要标准化以避免组织损伤；大规模制备中晶体取向的控制是一大难题。未来，结合人工智能进行材料设计、开发多功能协同治疗平台（如压电-免疫治疗）、以及利用先进成像技术深入揭示其体内作用机制，将是重要的研究方向。
总之，压电生物材料为抗感染和组织修复提供了一种创新的、可调控的非药物治疗策略，随着多学科合作的深入，有望在未来精准医疗和再生医学领域发挥更重要的作用。
