综述：工程化压电敷料促进皮肤伤口愈合

《Bioactive Materials》：Engineered piezoelectric dressings advance cutaneous wound healing

本文系统评述了压电材料在皮肤创面管理中的应用，揭示了其将机械刺激（如呼吸、运动）转化为生物电信号的独特能力。文章不仅深入剖析了压电效应与压电催化的物理化学机制，还全面探讨了其对成纤维细胞、内皮细胞、巨噬细胞、角质形成细胞等多维细胞行为的关键调控作用及其抗菌效应，旨在为开发智能、高效的伤口管理系统提供坚实的理论框架与实践指导。

　　

引言：皮肤创伤与愈合挑战

作为人体抵御外界威胁的第一道防线，皮肤的健康至关重要。由创伤、肿瘤或糖尿病溃疡等引起的皮肤创面，尤其是那些频繁受到机械应力影响的创面，是一个全球性的医学挑战。其愈合过程复杂，常伴随感染、延迟闭合、瘢痕形成及皮肤附属器（如汗腺、毛囊）功能障碍性再生等问题，给患者带来巨大痛苦，也为医疗系统带来沉重的社会经济负担。

传统的伤口敷料多为被动式，仅作为物理屏障、渗出液管理或药物递送平台，其根本局限在于无法主动参与复杂的生理愈合级联反应。近年来，一种能够“感知”并“响应”的新型智能生物材料——压电材料，为解决这一瓶颈提供了创新思路。其核心在于模拟和增强伤口愈合过程中一种关键的生理信号：内源性生物电场。

压电现象与压电催化：从物理机制到生物应用

压电效应是一种经典的线性机电耦合现象，由居里兄弟在1880年于电气石晶体中首次发现。它包括正压电效应（材料在机械应力下产生表面电荷）和逆压电效应（材料在外加电场下发生机械形变）。其本质源于材料的非中心对称晶体结构，机械应力导致晶格变形，正负电荷中心发生相对位移，从而产生净电偶极矩和宏观电极化。在生物医学中，压电材料能将细微的生理机械能（如呼吸、心跳、运动）转化为类似内源性的生物相容性电信号，实现自供能运作，从而精确调控细胞行为，为再生医学打开新视野。

33、d₃₁和 d₁₄表征的压电性图示。C) 压电催化示意图，阐释能带理论 (a) 和筛选电荷理论 (b)。">

此外，压电材料还拥有压电催化能力，能将极化效应与电化学过程耦合以驱动氧化还原反应。这对于伤口愈合中的抗菌干预至关重要。其核心杀菌剂活性氧(ROS)即可通过压电催化高效产生。目前主要有两种理论模型解释其机制：基于本征载流子激发的能带理论和基于外部自由电荷驱动的筛选电荷效应。这使得压电敷料能同时提供生物电刺激和生成抗菌剂，实现双重治疗效果。

压电材料大家族：从无机晶体到有机聚合物的分类与特性

压电材料根据成分主要分为无机和有机两大类。无机压电材料（如钛酸钡BaTiO₃、氧化锌ZnO）具有离子键和共价键，刚性强、热稳定性好、机电耦合性能优异，但通常较脆。其压电性源于非中心对称的晶格结构。有机压电材料（如聚偏氟乙烯PVDF、聚左旋乳酸PLLA、胶原蛋白）则具有强分子内共价键和弱分子间作用力，赋予其优异的柔韧性和弹性，但机电转换效率相对较低。其压电势的产生主要依赖于应力诱导下的分子偶极矩重排。

3 (a)、纤锌矿型 ZnO (b)、聚左旋乳酸 (PLLA) (c)、胶原蛋白 (d) 和聚偏氟乙烯 (PVDF) (e)。B) 压电材料的响应模式，如机械应力 (a)、超声刺激 (b) 和磁刺激 (c)。">

多元响应模式：内生与外源刺激下的智能驱动

压电材料作为生物响应系统，可适应各种生理条件和治疗需求。其激活模式多样：

1. 1.
   内源性机械刺激：利用日常人体活动（呼吸、心跳、行走）产生的生物机械能。例如，有研究设计了具有垂直溶胀和水平摩擦双重响应模式的压电水凝胶支架，以应对伤口渗出液变化和身体活动，确保电流持续生成。然而，个体差异和刺激不足是临床转化面临的挑战，最新研究通过优化应力传递效率和设计原位传感功能来应对。
2. 2.
   外部可控刺激：
   • •
     超声波：作为一种可调控的深部组织穿透性机械刺激源，可通过周期性应力引发压电材料的动态响应，产生可调节的表面电势，并可通过构建肖特基结等策略显著提高电子-空穴对分离效率，从而驱动ROS生成。
   • •
     磁场：通过磁-机-电耦合机制，利用磁致伸缩材料在交变磁场下的形变，将应力传递至相邻的压电材料，从而产生压电势，实现从磁场到电信号的转换。

压电材料在皮肤伤口愈合中的核心作用：多阶段、多细胞调控

皮肤伤口愈合是一个高度协调的生物学过程，通常分为四个连续且重叠的阶段：止血、炎症、增殖和重塑。压电刺激可精确调控多个修复阶段的关键细胞行为。

1. 调控细胞行为与信号通路

压电刺激通过复杂的信号网络调控多种细胞，加速愈合：

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  角质形成细胞：压电刺激可促进其早期粘附、增殖和极化伸长，诱导丝状伪足、板状伪足和肌动蛋白细胞骨架的形成，从而增强细胞间通讯效率和定向运动力，加速上皮再生。
• •
  成纤维细胞：压电产生的电场可引导其定向迁移，并通过激活AKT、ERK1/2等通路促进其增殖和细胞外基质(ECM)蛋白的分泌，驱动伤口收缩和组织重建。
• •
  内皮细胞：压电刺激与生物活性离子释放协同，可有效驱动内皮细胞的定向迁移、成管和血管生成分化，促进新生血管网络的形成，为修复组织提供充足的氧气和营养。
• •
  巨噬细胞：压电刺激可驱动巨噬细胞从促炎的M1表型向促修复的M2表型极化，从而加速炎症消退并向增殖期过渡，优化修复微环境。

2. 拮抗瘢痕形成：一个复杂的机制谜题

瘢痕形成是成人伤口愈合的常见结局，其特征是创面ECM合成与降解失衡，导致胶原过度沉积和纤维结构紊乱。研究证实，压电材料可有效抑制病理性瘢痕，并促进皮肤附属器再生，但其抗瘢痕机制似乎存在矛盾。一方面，机械应力可通过Yes相关蛋白(YAP)信号通路上调促纤维化的转录因子Engrailed-1 (En1)的表达；另一方面，体内实验又一致显示压电材料显著抑制瘢痕。这强烈提示压电材料的抗瘢痕效应并非由单一通路简单调控，其深层机制可能涉及更复杂的信号串扰，例如电场对YAP下游转录靶点的差异调控，或其他由压电刺激触发的抗纤维化效应部分掩盖了YAP/En1轴的促纤维化作用。解开这一机制谜题是未来研究的关键。

3. 潜在作用机制网络

压电材料对细胞行为的调控可能涉及多条关键信号通路：

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  钙离子信号：电/机械刺激均可升高细胞内游离Ca²⁺水平，作为第二信使触发一系列与组织再生相关的细胞学效应。
• •
  整合素信号：作为连接ECM与细胞骨架的跨膜机械感受器，整合素可被物理微环境（机械和电刺激）有效激活，进而招募黏着斑激酶(FAK)、Src等蛋白，激活下游Ras-Raf-MEK-ERK和Rho家族小GTP酶(RhoA, Rac1, Cdc42)通路，分别驱动细胞增殖、收缩和迁移。
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  Hippo信号：其核心效应子YAP/TAZ是重要的机械敏感通路，可被机械力通过F-肌动蛋白动力学、黏着连接、黏着斑和核膜等多个层面调控，进而驱动组织生长与修复。整合素轴也为外源电刺激交叉调控Hippo/YAP通路提供了生物学基础。
• •
  Wnt信号：经典Wnt通路通过稳定β-连环蛋白(β-catenin)驱动增殖相关基因表达；非经典分支（如Wnt/PCP, Wnt/Ca²⁺）则调控细胞骨架和形态重塑。机械和电刺激均可有效靶向调控此网络。
• •
  TGF-β/SMAD信号：是调控细胞增殖、分化、凋亡及ECM生成与重塑的关键通路。整合素介导的机械牵引是触发潜在TGF-β活化的主要途径之一，这为力/电信号激活TGF-β通路、驱动组织修复奠定了重要基础。

结论与展望

工程化压电敷料代表了一种前沿的智能伤口管理策略，它通过将无处不在的机械能转化为治疗性的生物电信号，实现了对伤口微环境的主动、精准干预。本篇综述系统性地整合了广度与深度，不仅全面覆盖了多种压电材料体系及其刺激响应行为，还深入阐明了其物理化学机制及调控多维细胞行为、发挥抗菌作用的关键生物学机制。尽管在技术挑战和临床转化瓶颈（如个体刺激差异、长期生物安全性、大规模标准化生产等）方面仍面临诸多问题，但压电技术在伤口管理领域已展现出巨大的应用潜力和光明前景，为开发下一代高效、智能的伤口修复系统奠定了坚实的理论与实践基础。