压电水凝胶材料在骨组织工程中应用研究进展

压电水凝胶材料在骨组织工程中应用研究进展

引用本文：李萌，刘晓菲，李露颖，等.压电水凝胶材料在骨组织工程中应用研究进展[J].中国实用口腔科杂志，2024，17（6）：709-715. DOI：10.19538/j.kq.2024.06.012

作者姓名：李    萌1，2，刘晓菲1，2，李露颖1，张    薇1，胡先同3，马楚凡1，2

基金项目：国家自然科学基金面上项目（81970971）；北京市自然科学基金面上项目（7232173）

作者单位：1. 空军军医大学空军特色医学中心口腔科，北京 100142；2. 安徽医科大学第五临床医学院，安徽 合肥 230032；3. 中国人民解放军总医院第四医学中心骨科医学部，北京 100048

通信作者：马楚凡，电子信箱：machufan_fmmu@163.com

摘要：压电水凝胶是将水凝胶聚合物和压电材料相结合的一种新型复合材料，其既具有水凝胶良好的生物相容性和生物可降解性，还可利用压电材料模拟骨组织内源性生物电，促进细胞增殖和分化，加速骨缺损修复。文章就电刺激促进骨再生机制及压电水凝胶分类、制备方法和在骨组织工程中应用研究进展做一综述，以期为骨缺损修复提供新的治疗思路。

关键词：水凝胶；压电材料；骨组织工程；电刺激

水凝胶是一种亲水的三维网络聚合物，其具有良好的生物相容性、高含水量，用于药物载体并可模拟细胞外基质（extracellular matrix，ECM），被广泛应用于生物医学领域。然而，水凝胶缺乏一定的机械强度及成骨诱导能力［1］，解决这一问题的思路是添加其他活性成分制作复合水凝胶材料。多年来的基础和临床研究已证实，电刺激具有促进骨缺损修复的作用。生物压电材料是一类电活性材料，不仅具有良好的机械性能和生物相容性，而且在一定条件下可发挥力电转换效应，模拟骨组织的生理微电环境［2］。因此，将生物压电材料与水凝胶复合制作压电水凝胶复合材料，不仅有助于提高水凝胶的力学性能和稳定性，而且还可模拟骨组织的内源性生物电，从而调节细胞代谢，促进骨缺损修复。本文就压电水凝胶复合材料的制备和应用研究进展做一综述，旨在为骨组织工程材料的研究和应用提供参考。

1    电刺激促进骨再生机制
天然骨具有压电性，该生物电现象在骨折愈合和骨改建过程中起着重要作用［3］。骨骼的压电性主要由胶原蛋白分子的非中心对称性产生［4］。胶原蛋白通过机械诱导的电刺激触发偶极矩重组，其表面产生负电荷［5］。电刺激可改变细胞膜受体结构，激活钙离子通道，使细胞内钙离子流入，导致钙离子浓度增加［6-7］。细胞内外的离子浓度差异，导致不同细胞类型的跨膜电位范围为-10 ~ 90 mV，跨膜电位的改变可调控细胞增殖和分化［8］。

目前研究表明，细胞内钙离子浓度增加可激活钙调神经磷酸酶，使活化T细胞核因子去磷酸化，调控诱导基因［如转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）、骨形态发生蛋白-2（bone morphogenetic protein-2，BMP-2）］的合成，从而调节细胞代谢和ECM的合成，促进骨再生［5］。刘宬孝等［9］用压电左旋聚乳酸（piezoelectric poly-L-lactic acid，PPLLA）与富锶硅酸盐生物陶瓷（SrSiO3）制备新型复合支架，在低强度脉冲超声（low-intensity pulsed ultrasound，LIPUS）刺激下持续释放生物活性Sr2+和SiO32-；通过激活嘌呤能受体P2X1刺激钙离子通道，促进细胞内钙离子的流入，使大鼠软骨细胞（rat chondrocytes，rCCs）和骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）的成骨活性得到协同增强。Zhou等［10］通过动态共价交联氨基修饰的压电复合水凝胶，在超声辐射的响应下，产生可控电输出（-41.16 ~ 61.82 mV），通过增加钙离子内流上调PI3K/AKT、MEK/ERK信号通路来增强BMSCs的分化，加速不规则骨缺损的愈合。此外，响应外界刺激还可激活整合素α5β1和白细胞介素-4（interleukin-4，IL-4）［11-13］，调控细胞增殖和迁移能力，在跨膜信号传导中起着关键作用。目前，电刺激促进骨再生的机制尚不明确，现有研究表明，可能是由钙离子通道、三磷腺苷（adenosine triphosphate，ATP）［14］和活性氧（reactive oxygen species，ROS）［15］的变化引起的，主要受MAPK通路［16］和PI3K/AKT通路［17］的调控。
2    压电水凝胶材料
压电水凝胶材料的制备依赖于将压电材料引入水凝胶基体的合理设计。因此，实现压电组分与水凝胶聚合物链之间的相互作用，对于集成压电水凝胶材料的三维互联网络具有重要意义。根据所利用的水凝胶基质将压电水凝胶分为两类：天然生物聚合物压电水凝胶和合成聚合物压电水凝胶。
2. 1    天然生物聚合物压电水凝胶    天然生物聚合物水凝胶具有优异的生物相容性、独特的孔隙结构、优良的生物可降解性，并可模拟ECM微环境［18］；其在组织再生、药物传递等方面表现出巨大的优势，是良好的骨修复支架。由于晶体结构的固有不对称性导致了压电效应，大多数天然生物聚合物在压电水凝胶制造方面表现出显著的潜力。海藻酸钠（sodium alginate）、丝素蛋白（silk fibroin）、壳聚糖（chitosan）、胶原蛋白等常见的天然聚合物已被报道用于压电水凝胶的研发［19］。
2. 1. 1    壳聚糖    壳聚糖是几丁质经去乙酰化产生的阳离子聚合物，富含氨基、羟基等官能团，是惟一带正电荷的天然多糖，在自然界中含量丰富，仅次于纤维素［20-21］。壳聚糖的结构使其易与离子络合、分子修饰，还可与带负电荷的各种细胞受体相互作用，从而产生优越的特性［22］。壳聚糖基压电水凝胶可通过物理或化学交联制备而成，具有良好的生物相容性、生物降解性、抗炎活性和抗菌功能等，在骨组织工程领域具有广阔的应用前景。
Dumitrescu等［23］研究合成了羟基磷灰石-铌酸钾钠-壳聚糖（HA-KNN-CSL）生物复合材料，通过改变羟基磷灰石和铌酸钾钠粉末比例，以咀嚼运动进行极化激活压电效应；结果表明，10HA-90KNN-CSL样品组诱导了最佳的抗菌效果及较高的成骨细胞代谢活性。Chen等［24］设计了一种可生物降解的三维多孔结构的电活性支架，采用压电性聚羟基丁酸和氧化锌纳米纤维（PHB@ZnO NFs）作为纤维骨架，掺入壳聚糖基质，表现出良好的压电响应和机械强度，为BMSCs的附着和增殖提供了三维空间和纤维表面；在外部超声刺激下，其可模拟生理电微环境，加速骨修复过程。
2. 1. 2    海藻酸钠    海藻酸钠是一种主要来源于褐藻的线性多糖，通过α-1，4糖苷键连接形成的天然高分子聚合物［25］。海藻酸钠具有独特的原位凝胶能力，可在温和的条件下形成稳定的凝胶网络［26］。此外，海藻酸钠还具有良好的生物相容性、吸水性和黏附性，因此海藻酸钠水凝胶可广泛应用于药物载体、骨组织再生、创面愈合等［27］。Khazani等［28］通过钙离子交联开发了聚偏氟乙烯/海藻酸钠（PVDF/SA）压电水凝胶复合材料，羟基磷灰石和钛酸铜钙纳米线（calcium copper titanate nanowires，CCTO）作为水凝胶支架基质中的增强剂，提高了水凝胶支架的生物相容性和机械强度，还改善了支架的压电性能；结果表明，该压电复合材料显著刺激了小鼠胚胎成骨细胞（mouse embryo osteoblastcells，MC3T3-E1）的增殖，对革兰阴性菌的抗菌能力也得到了证实。
2. 1. 3    丝素蛋白     丝素蛋白作为一种天然绿色蛋白材料，主要来源于蚕丝的纤维蛋白，具有良好的生物相容性、生物降解性、机械性能和热稳定性，在生物医学领域发挥着关键作用［29］。丝素蛋白的凝胶化是通过物理作用（超声、温度、pH、电场）或化学键（疏水键、氢键、离子键）使聚合物链上的分子相互作用，使其具有良好的力学稳定性［30-31］。丝素蛋白水凝胶具有固有的压电性，这是由于β-折叠结构（β-sheet）的结晶度和晶体取向［32］，其被认为是一种极具潜力的生物聚合物材料。Li等［33］设计了一种新型压电水凝胶材料用来治疗脊髓损伤，将聚多巴胺涂覆钛酸钡颗粒表面，通过辣根过氧化物酶/过氧化氢体系与丝素蛋白交联，所制备的水凝胶具有热敏性、凝胶时间短、良好的生物相容性、合适的机械强度和压电特性；在SD大鼠脊髓损伤模型中，使用超声波进行激发，生成电刺激，组织病理学评估证实，该压电水凝胶显著增强了运动功能的恢复；更重要的是，其还可促进神经发生、轴突生成、突触形成和髓鞘再生。
2. 2    合成聚合物压电水凝胶    除天然聚合物水凝胶外，合成聚合物水凝胶由于其优异的稳定性、高强度的结构和良好的适应性，受到了广泛关注和研究。合成水凝胶主要包括聚乙二醇（polyethylene glycol）、聚丙烯酸甲酯、聚己内酯、聚乳酸（polylactic acid）等。
2. 2. 1    聚乙二醇    聚乙二醇是一种亲水聚合物，因其良好的生物相容性、非免疫原性、可调控性和高稳定性，已广泛应用于生物医学和组织工程领域［34］。聚乙二醇具有活性羟基端，可与多种药物活性分子结合形成药物传递系统。聚乙二醇可溶于水和大多数有机溶剂，并可通过肾脏排出而不在体内积累。聚乙二醇基水凝胶是通过自由基聚合和官能团反应等与其他物质结合形成的，具有良好的药物释放效果，还可直接和生物修饰，形成具有抗菌和促进骨再生的生物活性水凝胶［35］。Huang等［36］通过3D打印制备了一种新型的压电水凝胶贴片，用于细菌消除和创口愈合；打印水凝胶贴片的顶层是聚乙二醇二丙烯酸酯水凝胶（polyethylene glycol diacrylate hydroge，PEGDA），并以金纳米粒子装饰的四方相钛酸钡包封，实现了超声触发的ROS释放，底层用甲基丙烯酸酯明胶（methacrylated gelalin，GelMA）加载血管内皮生长因子；在带有感染创面的小鼠模型中，实现了负载药物的均匀分布和聚集，并确保了血管生成过程中的氧气供应，表明压电水凝胶贴片在对抗细菌感染和促进组织再生方面具有实际意义。
2. 2. 2    聚乳酸    聚乳酸是一种多功能聚合物，具有较高的机械强度和模量，由于其可生物降解、生物可吸收、生物相容性和无毒的特性［37］，逐渐应用于生物医学研究。聚乳酸的疏水性阻碍了其在水凝胶材料中的应用。然而，通过与广泛的亲水聚合物如聚乙二醇、聚乙烯氧化物等共聚，可改变聚乳酸的性质。聚L-乳酸（poly-L-lactide，PLLA）是一种具有α晶体结构，在压力或电极化作用下可转变为β晶体，从而赋予其压电性［38］，是一种可降解的生物压电材料。Haitao等［39］以羧基四苯胺（carboxyl-capped tetraaniline，CTA）为官能团与聚乳酸-聚乙二醇-聚乳酸（PLA-PEG-PLA）偶联，制备了可注射电活性水凝胶；将成纤维细胞、心肌细胞和成骨细胞接种于材料后，使用脉冲电刺激处理时，细胞均保持高度活力，显著促进了细胞的增殖。Vinikoor等［40］采用氢氧化钠交联水凝胶，由低温切割的压电短纳米纤维聚乳酸（piezoelectric short nanofibers of poly-L-lactic acid，NF-sPLLA）和胶原基质制成一种可注射的、可生物降解的压电水凝胶，结果显示超声压电水凝胶可增强细胞迁移能力，诱导干细胞分泌TGF-β1，促进软骨形成。

3    压电水凝胶制备工艺
为了模拟骨的生理结构，同时满足骨修复材料的生物和力学要求，压电水凝胶的制备工艺就非常重要。其一，需要选择合适的压电材料和水凝胶，以确保制备出具有压电性能和生物相容性的复合材料。其二，需要优化制备工艺，包括精确控制好材料的配比、溶液浓度、温度等参数，选择适当的交联剂和方法，设计合理的结构［19］。目前常用的制备方法有物理交联和化学交联。

3. 1    物理交联    物理交联是经温度、pH和离子浓度的变化，通过静电力、疏水力、氢键及分子链的相互缠绕完成水凝胶的组装［41］。这种方法不需要引入化学交联剂，不会对材料的结构产生显著影响，可提供一个具有良好的生物相容性和与ECM高相似性的生物环境。Wu等［42］通过冻融技术成功制备了仿生骨-软骨组织的双层压电水凝胶，将聚乙烯醇/聚偏氟乙烯（PVA/PVDF）混合溶液采用冷冻、解冻3个循环设计成双层结构，在软骨层中加入银纳米线，诱导β-PVDF相（压电相）的形成，在骨层中加入纳米羟基磷灰石，提高材料的压缩模量和成骨能力；与无压电相的水凝胶相比，其显示出了更好的骨修复效果。
3. 2    化学交联    通过在聚合物链或分子之间引入共价键来形成交联结构的过程称为化学交联［41］。在化学交联中，通常会使用交联剂，通过化学反应将聚合物链或分子交联在一起，从而增强材料的机械性能和稳定性。常用的化学交联有光交联、酶交联、自由基聚合反应、结构互补基团间反应等。
3. 2. 1    光催化反应    光响应性水凝胶是通过将光敏部分纳入聚合物结构而获得的。光可引起水凝胶中光敏基团的裂解、异构化或二聚化，并导致水凝胶结构的部分或完全交联、降解、膨胀和收缩［43］。光交联的优点是其原位凝胶形成和精确的时空控制，通过调节所使用光的距离、波长、功率和曝光时间，可改变水凝胶的机械刚度和生化特性［44］。明胶具有较高的侧链反应性，可通过甲基丙烯酰基、丙烯酰胺等光交联基团进行修饰。其中，GelMA是目前研究和使用较多的光交联聚合物之一。Roldan等［45］首次将GelMA与钛酸钡压电填料结合，在光引发剂LAP的作用下放置405 nm的可见光，辐照2 min，总辐射曝光量为24.5 J/cm2，制备了压电水凝胶；使用微创探针局部注射到受感染的牙周袋中，通过光固化在原位形成移植物，其在体内外均表现出显著的抗菌作用和骨再生作用。
3. 2. 2    自由基聚合反应    自由基聚合是单体和多交联物发生链式聚合反应，形成的聚合物结构中通常含有羟基、羧基、氨基等丰富的基团。这些基团不仅使聚合物有很好的水溶性，而且通过结构互补官能团之间发生席夫碱、加成及缩合等化学反应，彼此之间形成共价交联键，从而避免其他触发条件对基质造成的影响［46］。Zhou等［10］利用明胶/氧化硫酸软骨素复合氨基功能化钛酸钡，通过席夫碱键和氢键的产生开发了一种仿生压电性能的可注射水凝胶，体外超声产生电信号，进而调控细胞增殖分化，促进骨缺损修复，这一研究为开发具有压电响应功能的不规则骨缺损修复材料提供了新策略。
3. 2. 3    酶交联    酶交联水凝胶在提高材料性能方面受到广泛关注，包括快速凝胶时间和优良的生物相容性［47］。到目前为止，有多种酶交联方法用于制备修复骨组织和软骨组织的仿生水凝胶。例如，利用辣根过氧化物酶（horseradish peroxidase，HRP）触发的交联反应，在过氧化氢的存在下，在酪胺修饰的聚合物之间形成共价键［48］；Hu等［49］使用辣根过氧化物酶和过氧化氢交联，设计了一种负载MXene纳米片的丝素蛋白双交联压电复合水凝胶，证明了水凝胶在电刺激下可激活Ca2+/CALM信号通路，并诱导M2型巨噬细胞的极化，促进骨再生与血管重建。
3. 3    3D打印    3D打印是通过计算机辅助设计（computer-aided design，CAD），将生物材料、生物活性因子、细胞结合逐层构建三维结构［50］。因3D打印技术能够精确、快速地定制组织和器官，故其在制作骨组织工程支架方面的发展前景十分广阔。Liang等［51］采用3D打印技术制备了一种新型压电水凝胶支架，将氧化锌纳米颗粒修饰的聚偏氟乙烯/丝素蛋白（PVDF/SF）生物墨水装入3D打印机中；3ds Max软件创建模型并调整参数进行打印，制备了具有垂直和水平的双压电释放的水凝胶支架，可模拟内源性生物电；结果显示，压电水凝胶支架（含0.5%氧化锌纳米颗粒）具有良好的生物相容性、良好的抗菌性能和稳定的压电响应，能促进创口愈合，防止瘢痕形成。

4    压电水凝胶在骨组织工程中的应用

4. 1    骨损伤修复    骨组织具有自我再生能力，但对于创伤性损伤、退行性疾病、肿瘤等造成的较大缺损，想要实现功能恢复和完全愈合，则需要植骨修复。其中，骨组织工程材料的设计旨在模拟天然骨组织的结构和功能，以促进骨组织再生和修复。这些材料应当具有适当的力学性能、生物相容性和生物活性，能够提供支撑和促进细胞生长和分化的微环境，最终实现骨组织的再生和愈合［52］。设计仿生水凝胶时，通过引入压电材料赋予水凝胶压电特性，产生电信号刺激细胞增殖和分化，有助于加速骨损伤修复。Wu等［53］将聚多巴胺改性的羟基磷灰石、钛酸钡纳米颗粒与壳聚糖/明胶基质结合，制备了一种多孔压电水凝胶（Cs/Gel/PHA/PBT）；这种水凝胶具有良好的细胞相容性，以及促进血管生成和成骨的能力；动物体内评估表明，这种具有多功能的压电水凝胶显著地促进了大鼠颅骨损伤模型中的新骨形成。
对于牙周病造成的牙槽骨缺损，临床上常采用引导性骨再生的手术治疗，但成功的牙周治疗需要抗菌和促进骨再生协同作用。电刺激已被临床研究证明有利于刺激成骨和血管生成，通过改善线粒体功能和诱导ATP合成来减轻炎症反应和调节巨噬细胞极化［54］。Liu等［55］构建了一种由四方相钛酸钡纳米颗粒（t-BTO NPs）和罗非鱼明胶制成的压电水凝胶，其在机械刺激触发的压电势可改善炎性牙周韧带干细胞的线粒体生物能，协同将巨噬细胞的极性从促炎M1表型转向抗炎M2表型，成功实现了炎症性牙槽骨缺损的原位组织再生。
促进骨组织修复的同时，预防局部肿瘤复发是骨肉瘤治疗的迫切需要。Xiao等［56］研发了一种基于超小铋/钛酸锶纳米粒子（Bi/SrTiO3）的压电光纳米异质结构结合明胶/硫酸软骨素聚合物水凝胶，用于治疗骨肉瘤和骨组织再生；在体内异种移植肿瘤模型和胫骨原位骨肉瘤模型中，压电增强光动力治疗的肿瘤抑制率分别为98.6%和67.6%；此外，水凝胶降解后暴露的纳米粒子在LIPUS下产生电信号，有效激活PI3K/AKT通路，促进BMSCs成骨分化，加速骨愈合。
4. 2    软骨修复    严重的关节病变、软骨缺损会引起剧烈疼痛，严重影响患者的日常活动。目前临床上常采用植入自体或异体软骨移植物。然而，这些移植物存在供体资源有限及炎症、免疫排斥、感染的风险。利用生物材料支架构建工程软骨移植物已成为一个重要的领域。电刺激在促进组织再生方面具有显著的作用，特别是对骨和软骨。在软骨内部，有关节运动或变形过程中自然产生的电流。因此，软骨修复可能受益于外部电刺激，其重构了受损软骨中被破坏的电微环境。水凝胶具有良好的生物相容性和低免疫反应，可很好地模拟关节软骨的结构，是一种很有前途的软骨组织工程生物材料。Ricotti等［57］发现，在受到精确控制参数的超声波刺激下，嵌入压电钛酸钡纳米颗粒和氧化石墨烯纳米片的复合水凝胶可协同促进脂肪组织来源的间充质干细胞的软骨分化；在体外模拟炎症环境中，该压电复合水凝胶发挥了双重作用，既能有效抑制炎症细胞因子，同时又能促进软骨生成。

5    结语

水凝胶和压电材料的结合体现了独特的压电性、良好的生物相容性，以及高度相似的骨微环境，在骨组织工程中展现出巨大的潜力和应用前景。然而，压电材料大多数是不可降解的，且生物相容性还有待提高，其长期植入安全性尚未得到验证。此外，压电水凝胶通过物理或化学交联制备，提高了水凝胶的力学性能和稳定性，但制作工艺相对复杂，还需要进一步完善。

随着再生医学和骨组织工程的发展，对于压电水凝胶的研究将进一步深化，压电水凝胶不仅可用于骨修复材料，未来还有望应用于实现精确、远程动态给药及类器官的培养等领域。