综述：压电生物材料在骨缺损修复中的进展：正压电效应与逆压电效应的作用

《Journal of Orthopaedic Translation》：Advances of piezoelectric biomaterials in bone defect repair: The role of direct and inverse piezoelectric effect

　　

天然骨因其胶原结构而表现出压电特性。因此，能够复制骨机电行为的压电生物材料已成为人工生物材料开发的关键焦点。其压电性表现为机械刺激下的正压电效应（direct effect）和电刺激下的逆压电效应（inverse effect）。研究表明，适当的机械或电学线索可通过激活这些材料的压电性能，影响成骨、血管生成、破骨细胞生成、炎症反应和神经发生，从而增强骨缺损修复。本综述总结了压电生物材料通过正压电效应和逆压电效应促进骨缺损修复的机制，并讨论了其在加速骨愈合应用中的当前挑战与未来前景。本文的转化潜力在于提供了关于压电生物材料中正压电效应和逆压电效应促进骨缺损修复机制的综合概述，强调了它们在促进成骨、血管生成和神经发生、抑制破骨细胞分化以及调节炎症反应中的作用，这些见解对于新型压电生物材料的开发和个性化临床应用的推进至关重要。

1. 引言

骨缺损通常由感染、创伤、先天性骨骼疾病或骨肿瘤引起，对机体功能和心理健康构成重大挑战。目前的治疗策略因缺损严重程度而异，包括自体骨移植、同种异体移植和人工骨材料的使用。尽管自体骨移植被视为金标准，但其临床应用受限于供区发病率和移植物来源有限；同种异体骨移植则存在免疫排斥和疾病传播风险；人工骨材料虽日益普及，但仍面临生物性能欠佳和长期稳定性不足等挑战。骨具有固有的压电特性，这主要归因于胶原纤维的非中心对称性结构。与骨的矿化相相比，胶原的弹性模量低得多，允许胶原原纤维在机械应力下发生剪切变形和相对滑动，从而诱导压电响应。这种压电效应在促进骨再生和缺损愈合中起着关键作用。皮埃尔和雅克·居里于1880年首次观察到压电现象，即机械应力可在石英表面产生电荷（正压电效应）；次年，加布里埃尔·李普曼预测了逆压电效应，即施加电场会导致压电材料发生机械变形。压电生物材料可通过正压电效应将机械刺激转化为电信号，或通过逆压电效应将电输入转化为机械输出，从而动态调节细胞微环境和组织结构，促进骨再生。在外部物理刺激（如近红外光照射、磁场、超声波或电信号）下，压电生物材料可激活其固有压电特性以增强骨缺损修复。骨再生本质上是复杂的，涉及多种细胞类型在不同阶段的协调活动，本综述全面概述了压电生物材料促进骨缺损修复的机制，重点聚焦于正压电效应和逆压电效应。

2. 压电材料

压电效应是压电材料的基本属性，其特征在于机械刺激与电响应之间的线性关系。当受到外力作用时，压电材料会发生晶格变形，导致在其相应外表面产生等量异号的电荷。正压电效应描述了当压电材料沿施加机械力的方向极化时产生电偶极矩（或电势差）的现象。根据其组成，压电材料大致可分为无机压电材料、有机压电材料和压电复合材料。无机压电材料主要包括压电陶瓷和压电单晶。有机压电材料包括合成压电聚合物和天然来源的压电聚合物。压电复合材料则是通过整合无机和有机压电组分设计而成，结合了两类材料的优点，通常表现出改善的压电和力学性能，同时保持了良好的生物相容性和加工便利性，使其更适合潜在的临床应用。

2.1. 压电材料的分类

2.1.1. 无机压电材料

无机压电材料的压电性源于晶格内离子的位移，因此其原子结构必须是非中心对称的。压电陶瓷是多晶材料，由大量微观晶体烧结而成，易于制成各种几何形状和尺寸的块体组件。由于压电陶瓷中的晶粒取向随机，需要通过极化工艺使大多数铁电畴沿相似方向排列，从而使材料表现出压电性能。常见的压电陶瓷包括钛酸钡（BaTiO₃）、锆钛酸铅（PZT）、铌酸钾钠（KNN）、氧化锌（ZnO）和氮化铝（AlN）。相比之下，压电晶体是具有高度有序原子排列的单晶材料，其非中心对称的晶体结构赋予了固有的压电特性。然而，其物理特性（如压电系数、声速和折射率）是各向异性的，并随晶体取向而变化，因此必须沿特定晶向切割以实现最佳性能。代表性的压电单晶包括黑磷（BP）和石英（SiO₂）。总体而言，压电陶瓷表现出相对较高的压电响应，但存在脆性大等缺点；而压电晶体通常表现出更好的结构稳定性，但压电性能相对较低。

2.1.2. 有机压电材料

与无机材料相比，有机压电材料通常更易于加工，表现出优异的柔韧性和生物相容性，其中部分还具有生物降解性。代表性的有机压电材料包括聚偏氟乙烯（PVDF）、聚左旋乳酸（PLLA）以及蛋白质和多糖等生物大分子。PVDF是一种半结晶聚合物，具有良好的生物相容性和显著的压电行为。在PVDF已鉴定的五种晶相（α、β、γ、δ和ε）中，由于分子偶极子的平行排列，β相表现出最强的压电活性，其次是γ相，而α相几乎没有压电活性。PLLA是一种半结晶的生物降解聚合物，具有良好的生物相容性，但其机械强度相对有限。天然压电聚合物在生物降解性、生物安全性和环境兼容性方面通常优于合成聚合物。纤维素是最早被报道具有压电性能的自然聚合物之一。丝素蛋白（SF）是一种从蚕丝中提取的天然蛋白质，显示出良好的生物降解性和润湿性。壳聚糖作为多糖衍生物，因其良好的生物相容性、固有的抗菌活性和可调控的多孔结构而在骨科组织工程中备受关注。氨基酸是蛋白质晶体的关键成分，甘氨酸在不同结晶条件下可形成α、β和γ多晶型物，其中β型和γ型因其非中心对称结构而表现出压电行为。胶原由三条多肽链缠绕形成三螺旋结构，因其不对称分子结构及骨架上的丰富带电基团亦表现出压电特性。

2.1.3. 压电复合材料

压电复合材料的发展旨在解决无机和有机压电材料各自的局限性。现代压电复合材料可在纳米或分子尺度实现多维界面耦合。根据基体及增强组分的来源，压电复合材料通常分为有机基体压电复合材料、无机基体压电复合材料和杂化压电复合材料。有机基体压电复合材料指将无机或有机功能组分掺入有机基体（如聚合物、水凝胶或生物分子）中。常见的无机填料包括BaTiO₃、氧化石墨烯（GO）、ZnO、羟基磷灰石（HA）和CoFe₂O₄。例如，当PVDF与BaTiO₃结合时，BaTiO₃表面的羟基与PVDF中的氟原子之间可形成氢键，诱导β相成核，从而显著提高纵向压电系数（d₃₃）。无机基体压电复合材料则指通过无机或有机组分修饰无机基体以增强其生物相容性和功能性能，其无机框架主要提供机械强度和热稳定性。此外，有机-无机杂化功能材料（如金属有机框架MOFs和有机-无机杂化钙钛矿OIHPs）因其独特的杂化结构，可本征地表现出压电和铁电等功能特性。

2.2. 压电材料的应用形式

压电材料在骨缺损修复中的应用形式多种多样，包括纤维、膜、薄膜、水凝胶、微胶囊、支架和复合系统。纤维结构具有高比表面积和良好的柔韧性，但制备复杂且机械强度有限。膜可提供空间维持能力，常用于引导骨再生（GBR）手术，但其厚度和表面积对性能影响显著。薄膜受益于成熟的制备技术，但其压电活性通常需要外部刺激激活。水凝胶具有高含水量、优异的生物相容性和注射性，但承载能力有限。支架能够自发产生压电响应，其三维多孔结构模拟了天然细胞外基质，促进了细胞浸润和血管化。利用4D打印技术制造的智能支架可响应超声、磁场或温度等外部刺激而发生形状或功能的动态变化。理想的骨修复生物材料应表现出优异的生物相容性、足够的初始机械支撑，并以与骨再生相匹配的速率降解。压电复合支架广泛应用于骨缺损修复，针对不同解剖部位（如承重骨与非承重骨）的机械性能需求，材料选择也有所不同：承重部位（如股骨）倾向于选择结合压电陶瓷（如BaTiO₃或AlN）的高强度基底；而非承重部位（如颅面骨）则更适合使用柔性压电聚合物（如PVDF）及其共聚物。

2.3. 外部刺激因素

压电生物材料的压电特性是在特定刺激下激活的。正压电效应可源于生理活动或超声波、磁场、压缩力或拉伸力等外部刺激诱发；而逆压电效应通常需要电刺激。超声波（US）是指频率超过20 kHz的机械振动，能有效应用于骨缺损修复的参数通常包括强度30–500 mW/cm²和频率1–3 MHz。低强度脉冲超声波（LIPUS）已被FDA批准用于促进骨折愈合，其最佳参数通常为频率1.5 MHz、强度30 mW/cm²、占空比20%（1 kHz），每日20分钟。磁场（MFs）可增强骨缺损部位的血液循环，刺激成骨细胞和软骨细胞活性，根据强度可分为弱场（<1 mT）、中等场（1 mT至1 T）、强场（1–20 T）和超强场（≥20 T），压电生物材料常与中等强度磁场（200–300 mT）联用。磁力电（ME）结构对低强度磁场有响应，拓展了应用潜力。机械应力是调节骨生长的基本因素，应遵循“用进废退”原则，应力水平必须适宜。施加于压电生物材料的外部电刺激主要通过三种耦合方式实现：直接耦合（DC）、电容耦合（CC）和电感耦合（IC）。DC是侵入性方法，典型参数为电流强度10–100 μA和电压0.5–1 V/cm；CC是非侵入性刺激方法，常用设备如OrthoPak系统提供3–6 V电压；IC可通过导电线圈或电磁铁产生脉冲电磁场（PEMFs），参数变异性较大，通常磁场强度为1–10 mT，频率为0–200 Hz。

3. 压电生物材料在骨再生中的作用

健康骨具有适当的刚度和韧性，能够承受生理活动产生的负荷，同时通过响应物理化学刺激维持细胞生物活性。当因严重损伤或疾病导致大面积骨缺损时，骨重建过程往往无法仅依靠内在再生能力完成。压电生物材料不仅能够提供传统植骨材料的结构支持和骨传导性能，还能模拟骨的自然电生理微环境，主动刺激骨再生。骨内的压电效应主要源于其有机成分，特别是胶原。植入骨缺损部位后，压电生物材料通过三个连续阶段促进骨再生：初始炎症期、修复期和重塑期。在此过程中，压电生物材料的特性与其他固有特征共同发挥作用。同时，触发其压电响应的外部刺激本身也可对骨再生产生有益影响。例如，LIPUS单独应用即可促进成骨细胞分化，与压电生物材料联合应用可进一步增强成骨效果。某些细胞类型（如神经元和成骨细胞）在纯电刺激下可表现出细胞行为的改变，但直接电刺激的应用受限于潜在副作用，而压电生物材料的整合有效拓宽了电刺激在骨缺损修复中的应用。

植入后，压电生物材料迅速被血液包裹并形成凝块，同时被先天免疫系统识别为异物，激活免疫反应。研究表明电信号可调节巨噬细胞极化，压电生物材料介导的机电刺激利用这一特性来调节免疫微环境。植入后，压电生物材料激活感觉神经末梢，触发P物质和降钙素基因相关肽（CGRP）等神经肽的快速释放，进而促进中性粒细胞和巨噬细胞等免疫细胞的快速募集。这些免疫细胞在发挥功能的同时分泌神经生长因子（NGF），进一步刺激感觉神经支配并诱导更多CGRP的释放，从而形成神经-免疫反馈回路。神经元是电兴奋性细胞，压电生物材料产生的生物电信号可利用神经元的电活性来调节神经-免疫反馈，促进肉芽组织覆盖和极化。

骨骼系统内神经血管网络的重建是局部骨缺损修复的关键步骤。在再生过程中，血管提供神经形成和发育所需的氧气、营养和生物活性因子，同时输送成骨祖细胞至骨折部位。同时，神经纤维通过传递兴奋信号和分泌神经肽促进血管生成。内皮细胞在血管内皮生长因子（VEGF）等信号的调节下，浸润血凝块以及植入物表面或孔隙，最终形成新的脉管系统。神经末梢释放的神经肽（如CGRP）作为有效的促血管生成信号，可与VEGF、骨形态发生蛋白-2（BMP-2）等因子协同作用，增强局部血管化。研究表明电刺激可调节VEGF表达，压电生物材料利用这一特性建立促进神经血管耦合的压电微环境，进而促进CGRP和VEGF的成骨功能。CGRP通过多种途径增强成骨细胞的合成代谢活性，VEGF则直接招募和刺激成骨相关细胞，并通过新形成的脉管系统将其输送至植入部位。间充质干细胞（MSCs）、成骨祖细胞和前成骨细胞被招募到缺损部位，在压电特性及其他材料特性（包括孔隙结构、表面化学性质和生物活性离子及分子的释放）的协调影响下，向成骨细胞分化。随后，成骨细胞分泌I型胶原等细胞外基质成分，导致局部肉芽组织矿化，形成愈合的松质骨和编织骨。

植入后，压电生物材料的固定模式通过机械互锁提供初始的机械稳定性。表面改性（如喷砂和酸蚀）产生微观形貌和亲水表面，促进细胞粘附和铺展，有助于从力学上薄弱且无序的编织骨向板层骨的过渡。研究表明破骨细胞倾向于向阳极（正电荷）迁移，而阴极（负电荷）可抑制破骨细胞分化。利用成骨细胞和破骨细胞对压电线索的不同反应，压电生物材料在骨重塑阶段动态调节这些细胞的行为，促进编织骨被高度有序的板层骨取代、哈弗斯系统的形成，并在机械刺激下最终恢复天然骨结构和机械强度。在不同的骨缺损修复策略下，压电生物材料可被设计成具有独特的性质，从而促进神经、血管、免疫和骨细胞之间的协调相互作用，加速骨组织再生过程。

4. 压电生物材料调控促成骨形成的生物学机制

压电效应通过调节细胞活动、胶原纤维的空间组织和离子分布来影响骨重塑。1892年，Julius Wolff提出了著名的沃尔夫定律，指出骨通过结构修饰适应机械负荷。多孔弹性理论将骨（特别是松质骨）概念化为分布机械应力并通过流固耦合（FSI）吸收能量的多孔弹性介质。机械应变或微损伤激活骨细胞机械传感器，触发调节成骨细胞和破骨细胞活性的生化信号级联反应。这些信号影响细胞形态、细胞器排列和微管对齐，促成组织水平的适应。血管组织虽不具有固有的压电性，但其周围组织在外部刺激下表现出电生理活动。在正压电效应下，压电生物材料表面产生的正负电荷可直接参与氧化还原反应，将材料从非活性状态转变为活性状态。对压电材料表面施加适当的机械刺激可诱导局部电场，高效激活正压电效应并发挥生物电调节功能。此外，在逆压电效应期间，直接电刺激和由此产生的机械应变均可加速骨愈合。通过将电信号转换为细胞可感知的机械线索，压电生物材料有效减轻了骨植入物引起的应力屏蔽现象。

4.1. 压电生物材料在成骨谱系细胞中调控的生物学机制

4.1.1. 正压电效应下压电生物材料在成骨谱系细胞中调控的生物学机制

压电生物材料响应机械刺激，直接激活成骨谱系细胞中的机械敏感离子通道，从而促进成骨基因表达。Piezo家族机械敏感离子通道（特别是Piezo1和Piezo2）是机械转导的关键介质。Piezo1在成骨细胞中高表达，通过激活下游钙调蛋白依赖性蛋白激酶II（CaMKII）级联反应，协同促进钙通道开放和成骨活性。研究表明，PMMA/PEI/PVDF植入物通过其压电特性显著激活Piezo1。类似地，pDA-mBP@DAT支架在LIPUS刺激下整合了机械、热和电三重刺激，通过激活Piezo1/CaMKII信号轴加速骨再生。在机械-电耦合微环境（M-E）中，背根神经节（DRG）神经元中Piezo2的激活增强了电压门控钙通道（VGCCs）的钙内流，随后触发PI3K-AKT和RAS信号通路，促进感觉神经元释放CGRP，进而刺激BMSCs的成骨作用。另一个关键的机械敏感调节因子是Yes相关蛋白（YAP），它在响应细胞骨架张力增加时激活，调节Hippo信号通路并促进F-肌动蛋白重塑和粘着斑（FA）复合物组装，从而驱动成骨分化。PDA@PVFT/PU膜在近红外（NIR）照射下，通过YAP介导的Hippo信号通路激活促进BMSCs成骨分化。

众多研究表明，压电生物材料可通过机械刺激诱导的电荷极化调节成骨活性。这种压电行为源于骨基质，主要是由于机械负荷下胶原纤维的极化。机械压缩通过重组胶原偶极矩产生局部负电荷，导致细胞膜超极化。这种空间分布的压电电荷与机械刺激的大小呈正相关。具体而言，施加于胶原纤维的压缩力重组偶极矩，产生产生负表面电荷，诱导细胞膜超极化，这一过程增强了VGCCs的活性，促进钙离子（Ca²⁺）内流。随之而来的胞浆Ca²⁺浓度升高激活磷脂酶C（PLC），刺激内质网释放Ca²⁺，进一步放大细胞内Ca²⁺水平。此外，钙渗透性ATP门控离子通道P2RX1的激活也被证明可诱导CaMKII磷酸化，促进钙通道开放。Ca²⁺内流已被证明可激活Ras同源基因家族成员A（RhoA）蛋白，进而调节吸附纤维连接蛋白的构象并促进粘着斑形成，最终导致细胞骨架重塑。同时，细胞内Ca²⁺水平的升高可激活钙调蛋白依赖性激酶，进而刺激calcineurin/活化T细胞核因子（NF-AT）信号级联反应，增强细胞粘附和增殖。同时，钙内流被报道可上调细胞内转化生长因子-β（TGF-β），激活丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路和抑制性SMAD家族，促进细胞外基质（ECM）合成、BMSCs成骨分化和组织修复。此外，钙内流诱导细胞外信号调节激酶（ERK）磷酸化，进一步激活MAPK信号通路。作为MAPK家族的核心成员，ERK在将细胞外线索转导为核反应中起着关键作用。同时，钙内流激活了磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（PI3K/AKT）信号通路。激活的磷酸化Akt抑制糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β），从而促进β-连环蛋白（β-catenin）的核易位，这有助于ECM合成并上调碱性磷酸酶（Alp）、Runx2和I型胶原α1链（Col1α1）等关键成骨标志物。然而，机械刺激诱导的细胞膜超极化偶尔会导致钙通道关闭。这种通道关闭促进Ca²⁺离子吸附在带负电的表面，从而降低细胞内Ca²⁺水平。随后Ca²⁺浓度的降低导致E-钙调蛋白水平下降，破坏钙调蛋白-β-连环蛋白复合物，增加游离β-连环蛋白的可用性，其进入细胞核并通过经典的Wnt/β-连环蛋白信号通路激活成骨基因转录。最后，压电生物材料利用其固有的压电电位驱动电子转移，从而提高线粒体膜电位（Δψm）。升高的Δψm促进细胞内ATP产生并便于钙通道开放，形成支持MSCs成骨分化高能量需求的积极反馈回路。

4.1.2. 逆压电效应下压电生物材料在成骨谱系细胞中调控的生物学机制

压电生物材料通过电诱导的机械变形调节成骨细胞行为，这一过程由逆压电效应介导。这种机械变形激活整合素α5β1，这是软骨细胞和成骨细胞中表达的关键机械敏感受体。在电微电流刺激下，整合素α5β1增强细胞机械转导，显著促进成骨细胞增殖、细胞骨架重塑、粘着斑成熟、成骨分化和ECM合成。此外，整合素α5β1的上调导致Arp2/3复合物的激活，促进肌动蛋白丝的分支，从而促进细胞骨架重组。这种重组反过来激活p38丝裂原活化蛋白激酶（p38/MAPK）信号通路，导致成骨基因表达上调。当压电生物材料受到直接电刺激时，钙介导的蛋白激酶C（PKC）信号通路被激活，改变成骨细胞表面受体的分布并促进钙通道开放。这些通道的激活增强了钙调蛋白活性，进而促进核苷酸合成和细胞增殖，同时上调磷脂酶A2（PLA2）以增加前列腺素E2（PGE2）的产生。PGE2作为自分泌和/或旁分泌介质刺激成骨细胞增殖，并可能有助于升高细胞内Ca²⁺水平。钙通道激活后，压电生物材料通过多种途径促进成骨基因表达，这些途径与仅由正压电效应触发的途径不同。钙内流可参与MAPK信号通路以调节成骨细胞生长和分化，涉及信号转导子和转录激活子1（STAT1）、细胞外信号调节激酶（ERK）、RAF-1和p38 MAPK。整合素介导的粘着斑激酶（FAK）信号通路可通过下游ERK信号激活MAPK通路。粘着斑作为位于细胞膜下方的多蛋白复合物，是整合素将细胞外机械线索传递给细胞骨架的界面。粘着斑数量、大小和细胞骨架张力的变化与成骨密切相关。通过促进细胞粘附和粘着斑形成，整合素诱导ERK1/2磷酸化，上调关键成骨转录因子RUNX2，从而增强成骨分化。直接电刺激压电生物材料还被证明可通过激活PTEN诱导的激酶1（PINK1）/Parkin信号通路来增强成骨基因表达，随后刺激线粒体氧化磷酸化。结果，溶酶体降解导致磷酸钙释放到细胞外基质中，有助于骨矿化。此外，线粒体自噬上调线粒体复合物I-V的表达，增强ATP产生，并支持骨基质的矿化。

4.2. 压电生物材料调控血管生成的生物学机制

血管重塑对于维持骨稳态以及骨再生和修复至关重要。骨折后，血小板迅速聚集形成软痂，由成骨细胞、软骨细胞和成纤维细胞组成，协同启动骨小梁和皮质骨结构的再生。同时，新生血管化由各种生长因子驱动，最显著的是BMP-2和VEGF。VEGF主要由肥大软骨细胞和MSCs分泌，是血管发育的核心，促进内皮祖细胞（EPCs）的募集以及内皮细胞（ECs）的增殖和迁移。VEGF的表达受局部氧张力调节，低氧诱导因子-1α（HIF-1α）在缺氧条件下积累并转录激活VEGF基因。压电生物材料产生的生物电信号可调节HIF-1α的稳定性及其与VEGF启动子的结合亲和力，从而在转录水平促进VEGF表达。此外，CGRP作为有效的促血管生成信号，与VEGF协同作用。研究表明，压电刺激可通过激活瞬时受体电位香草醛亚型1（TRPV1）通道诱导CGRP释放，TRPV1是感觉神经元中重要的阳离子通道，可被膜电位去极化激活。释放的CGRP随后与血管平滑肌细胞和内皮细胞上的受体结合，诱导血管舒张并增强血管通透性，促进ECs迁移和管腔形成。同时，压电生物材料介导的力学刺激（无论是正压电产生的，还是逆压电转换的）可激活内皮细胞中的机械敏感离子通道（如Piezo1），引起Ca²⁺内流，进而激活一氧化氮合酶（eNOS），产生一氧化氮（NO），NO是重要的血管舒张剂和促血管生成因子。此外，压电材料释放的生物活性离子（如Sr²⁺、Si⁴⁺）也可通过激活成纤维细胞生长因子（FGF）信号通路或促进内皮细胞迁移来协同增强血管生成。综上，压电生物材料通过调节VEGF、CGRP、NO等关键血管生成因子的表达和活性，以及直接调控内皮细胞行为，构建了有利于血管网络重建的微环境，为骨缺损区的营养供应和骨再生提供了先决条件。