可降解镁离子释放压电支架：一种用于节段性骨缺损修复的自供电多功能再生新策略

《Bioactive Materials》：Biodegradable Mg2+-releasing piezoelectric scaffold for segmental bone defect repair

针对节段性骨缺损修复的临床难题，本研究设计了一种可生物降解的镁离子释放压电支架（PWH Gel）。该支架在生理负荷下可原位产电并释放Ca2+/Mg2+，协同促进血管生成、神经再生及骨再生，在大鼠桡骨缺损模型中实现了功能性骨修复，为治疗大段骨缺损提供了新范式。

　　

当身体某个部位的骨头因为严重创伤、感染或肿瘤切除等原因，缺失了长长的一截，这便形成了临床上极为棘手的“节段性骨缺损”。人体的骨骼虽然有一定的自我修复能力，但面对这种“大窟窿”，自身力量往往捉襟见肘，难以自发愈合。传统的治疗方法，如从患者自身其他部位取骨移植（自体骨移植），会造成新的损伤且来源有限；用他人或动物来源的骨（异体骨/异种骨移植）则可能面临免疫排斥和疾病传播的风险；而使用金属等惰性植入物，又常因力学性能不匹配导致“应力遮挡”，长期来看不利于新骨生长，有时还需二次手术取出。因此，开发能够真正促进大段骨骼自我再生、并最终能被身体安全吸收的“智能”生物材料，是骨科再生医学领域梦寐以求的目标。

自然的骨骼本身就是一个“智能”系统。它不仅坚硬，还具有一种神奇的“压电”特性——在承受我们日常走路、奔跑带来的机械负荷时，骨骼内部会产生微弱的生物电信号。这些“内源性”的电信号如同指挥官，引导着成骨细胞的聚集、分化，调控着骨骼的新陈代谢和修复。此外，骨骼的愈合绝非简单的“填坑”，而是一个涉及血管、神经、骨骼三种组织协同再生的精密过程。镁离子（Mg²⁺）作为一种关键的生物活性离子，被发现能有效促进血管生成、支持神经再生并刺激骨形成。那么，能否设计一种材料，既能模拟骨骼的压电效应，产生“治疗性”的电刺激，又能持续释放镁离子，从生物化学层面助力，从而一举攻克大段骨缺损修复的难题呢？

来自北京大学第三医院等机构的研究团队在《Bioactive Materials》上发表的研究，给出了一个激动人心的肯定答案。他们创造性地研制出一种“可生物降解的镁离子释放压电支架”，简称PWH Gel，成功修复了大鼠的节段性桡骨缺损，为实现大段骨的功能性再生提供了全新的解决方案。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术：首先，他们通过化学沉淀和高温退火工艺，合成了具有压电特性的纳米级磷酸镁钙（Whitlockite, WH）颗粒（PWH NP）。其次，利用甲基丙烯酰化明胶（GelMA）通过冷冻凝胶化和冻干技术，构建了具有高度互联多孔结构的复合支架（PWH Gel）。通过扫描电镜、Micro-CT、有限元分析、压电输出测试等技术，系统地表征了支架的形貌、力学性能和压电发电能力。在体外，研究采用了骨髓间充质干细胞（BMSCs）和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）共培养模型，通过细胞增殖/迁移、血管形成实验、以及针对成骨、成血管、成神经相关基因和蛋白的检测（如qPCR、免疫荧光），评估了支架的生物活性。在体内，他们建立了大鼠3毫米节段性桡骨缺损这一免内固定模型，通过Micro-CT影像学、组织学染色（H&E， Masson）、免疫组化/免疫荧光等技术，在术后6周和12周系统评价了新骨生成、血管化和神经再生的情况。此外，还通过RNA测序（RNA-seq）分析了支架影响细胞行为的潜在分子机制。

研究结果揭示了PWH Gel支架卓越的再生性能：

3.1. Mg²⁺释放压电支架的合成与表征

研究人员成功合成了压电磷酸镁钙纳米颗粒（PWH NP），并将其均匀嵌入GelMA冷冻凝胶中，构建了PWH Gel支架。该支架具有高度互联的大孔结构，利于细胞迁移和营养交换。关键的力学和电学测试表明，PWH Gel具有良好的弹性，在循环压缩下能产生显著高于非压电对照组的电压和电流输出，其压电效应甚至能点亮微型灯泡。有限元分析和在大鼠缺损模型中的在体测量均证实，生理性负荷可有效激活支架的压电特性，产生局部生物电信号。同时，支架能持续、可控地释放Ca²⁺和Mg²⁺，并具有可生物降解的特性。

3.2. Mg²⁺释放压电支架的体外血管生成、神经生成和成骨分化评估

体外细胞实验表明，PWH Gel展现出优异的生物相容性，能显著促进BMSCs的增殖和迁移。更重要的是，它表现出强大的促血管生成能力，与HUVECs共培养时，能显著增强血管样网络的形成，并上调血管内皮生长因子（VEGFA）、血管生成素-1（ANG-1）等关键基因的表达。同时，PWH Gel还能诱导BMSCs向神经谱系分化，增强神经前体细胞标志物Nestin的表达。在成骨性能方面，PWH Gel可显著提升BMSCs的碱性磷酸酶（ALP）活性和钙结节矿化，并上调Runt相关转录因子2（RUNX2）、骨钙素（OCN）、骨桥蛋白（OPN）和I型胶原（COL-I）等成骨标志基因的表达。RNA-seq分析进一步揭示，PWH Gel通过激活PI3K-Akt、MAPK、Wnt和钙信号等多条与成骨和血管生成相关的通路来发挥作用，并增强了Piezo1机械敏感离子通道的表达和细胞内钙离子（Ca²⁺）内流。

3.3. 使用Mg²⁺释放压电支架在体评估节段性骨缺损的骨化

动物实验结果是该项研究最有力的证明。在大鼠3毫米桡骨节段缺损模型中，植入PWH Gel支架后，无需任何额外固定。术后12周的Micro-CT三维重建显示，PWH Gel组实现了完全的骨性连接，新生骨体积分数（BV/TV）和小梁骨数量（Tb.N）均显著高于空白缺损组和非压电的WH Gel对照组。组织学切片（H&E和Masson染色）直观地证实了PWH Gel组有大量成熟的新骨形成，几乎完全填充了缺损区域。免疫组化显示更强的I型胶原沉积，免疫荧光则检测到更丰富的CD31阳性血管和Tuj1阳性神经纤维，证明了PWH Gel在促进骨再生的同时，有效协同促进了血管和神经的再生，实现了“神经血管化骨再生”。

结论与讨论部分对研究的创新性和意义进行了深刻阐述。该研究最大的突破在于，它并非简单地提供一个骨替代“填充物”，而是创造了一个动态的、可响应生理环境的“活性再生微环境”。PWH Gel支架巧妙地将三种关键的再生刺激合而为一：首先，其压电特性将生物体自身的机械能（如肢体活动）转化为局部的电信号，模拟了骨骼天然的生物电环境；其次，降解过程中持续释放的Mg²⁺和Ca²⁺提供了生化刺激；再者，GelMA基质本身的生物相容性和三维多孔结构提供了细胞附着的物理支撑。这种“力-电-离子”耦合的协同作用，克服了单一刺激的局限性，从而高效地 orchestrates（协调）了成骨、成血管和成神经这一复杂的再生过程。

该研究选用免内固定的桡骨缺损模型极具巧思，它既模拟了临床节段性骨缺损的挑战性环境（血供差、机械负荷），又避免了金属内固定物对力学信号的“屏蔽”，使得支架的压电效应得以被生理活动自然激活，实现了真正的“自供电”治疗。与常用的非承重骨（如颅骨）缺损模型或需要坚固内固定的股骨缺损模型相比，该模型能更真实地反映材料在临床场景下的性能。

综上所述，这项研究不仅成功开发了一种用于修复大段骨缺损的高效多功能生物材料，更重要的是，它提出并验证了一种“利用内源性生物机械能驱动组织再生”的新范式。PWH Gel平台展示了如何通过设计智能生物材料，将人体自身的活动转化为治愈力量，为未来开发用于骨骼乃至其他电响应组织（如神经、心肌）再生的先进疗法开辟了崭新的道路。