综述：压电材料在骨重塑与修复中的作用：机制与应用

　　本综述系统探讨了压电材料（PMs）在骨修复中的前沿应用与机制。文章详细解析了骨组织的天然压电特性（源于胶原纤维的非中心对称结构），分类介绍了无机（IPMs）、有机（OPMs）及复合（CPMs）压电材料的特性与制备技术，并深入阐述了其通过压电刺激（如激活电压门控钙通道、Ca2+内流、MAPK/BMP信号通路）调控免疫微环境（如M2型巨噬细胞极化）、促进血管生成（VEGF表达）及干细胞成骨分化（OsD）的多重机制，为骨科生物材料的设计提供了创新理论与策略。

　　

骨骼作为生命体重要的承重与保护结构，其修复与重塑过程依赖于复杂的生理信号网络，包括生物电、生物化学及生物力学因素。其中，生物电信号的调控作用尤为关键。天然骨组织本身即是一种优异的压电材料，其压电特性主要来源于胶原纤维的非中心对称排列结构。当骨骼承受机械应力时，胶原分子发生位移，产生偶极矩与表面电荷，这一现象被称为压电效应。这种内源性电信号在引导细胞行为、介导骨愈合过程中发挥着核心作用。

压电材料的分类与特性

压电材料主要分为三大类：无机压电材料（IPMs）、有机压电材料（OPMs）和复合压电材料（CPMs）。IPMs以压电陶瓷为代表，如钛酸钡（BaTiO₃）、锆钛酸铅（PZT）和氧化锌（ZnO）。它们具有高压电常数（d₃₃）和优异的机电耦合性能，但存在脆性大、生物相容性挑战（如PZT的铅溶出风险）等问题。通过掺杂改性（如Nb⁵⁺、La/Sm）可优化其性能。OPMs则包括天然与合成聚合物，如聚偏氟乙烯（PVDF）、聚左旋乳酸（PLLA）和聚羟基脂肪酸酯（PHA）。它们具有良好的柔韧性、可降解性和生物相容性，但压电输出通常低于陶瓷材料。PVDF的压电性源于其β晶相，可通过拉伸或极化处理诱导形成。CPMs结合了IPMs与OPMs的优势，将压电陶瓷填料（如BaTiO₃纳米粒子）分散于聚合物基质（如PVDF、PCL）中，实现了性能互补与功能集成，是当前研究的热点。

骨的压电机制与成骨过程

骨的复杂分层结构主要由无机相羟基磷灰石（HAP）晶体和有机相胶原纤维构成。HAP提供刚度和矿物储备，而胶原纤维是骨压电效应的主要来源。在机械负荷下，骨组织产生的压电信号可激活细胞膜上的电压门控钙通道（VGCCs），引起Ca²⁺内流。细胞内Ca²⁺浓度升高进而激活钙调磷酸酶/NF-AT信号通路，启动成骨相关基因（如Runx2、骨钙素）的转录。同时，机械应力还可通过整合素等机械受体激活MAPK信号通路，协同调控细胞增殖、迁移与分化。此外，内源性电场的分布引导间充质干细胞（MSCs）向损伤部位迁移并分化为成骨细胞，促进矿化沉积。

压电刺激引导骨再生与修复的应用策略

压电材料通过模拟骨的生理电 microenvironment，以多种形式应用于骨修复领域：1. 涂层：如ZnO涂层于金属植入体表面，既可降低降解速率，又赋予抗菌与促成骨能力；2. 水凝胶：复合压电纳米颗粒（如BaTiO₃）的智能水凝胶能响应压力产生交流电，刺激血管内皮生长因子（VEGF）表达，促进血管化与M2型巨噬细胞极化；3. 支架：3D打印的压电支架（如KNN/PLA）可通过程序化超声波照射提供远程可调的电刺激，显著加速脊髓损伤修复；4. 骨膜：仿生压电骨膜（如PHBV/BaTiO₃）通过内源性电刺激协同增强成骨活性与免疫调节功能，在大鼠颅骨缺损模型中几乎实现完全修复。

压电材料的制备技术进展

IPMs主要通过高温固相反应制备，涉及球磨、成型、烧结（1200–1500°C）与极化等关键步骤，以激活压电性。OPMs则采用溶液加工法，如静电纺丝技术可制备具有高β相含量的PVDF纳米纤维膜。CPMs的制备注重填料分散均匀性与界面结合，方法包括溶液浇铸、静电纺丝以及3D打印等先进成型技术。其中，同轴静电纺丝技术可实现药物（如阿托伐他汀AVT）与压电材料的复合，构建多功能缓释体系。

作用机制深度解析

压电材料促进骨再生的机制可归纳为四条核心通路：1. 激活细胞内信号通路：压电刺激触发Ca²⁺瞬变，通过FAK/ERK与BMP/Smad通路促进成骨分化；2. 调控细胞行为：压电线索（如表面电荷）影响细胞形态铺展与定向排列，利于成骨；3. 免疫微环境调控：负表面电荷促进M2型巨噬细胞极化，上调抗炎因子（IL-10），下调促炎因子（IL-6, IL-1β），并清除活性氧（ROS），营造促再生环境；4. 促进血管化：压电刺激上调VEGF与bFGF的表达，诱导新生血管网络形成，为骨修复提供营养支持。

未来展望与挑战

未来研究将致力于开发兼具高压电性、生物可降解性、抗菌/抗炎功能及刺激响应性的新一代智能压电材料。利用压电催化（Piezocatalysis）实现机械驱动下的按需治疗（如ROS抗菌）、结合计算材料学（如机器学习）加速无铅压电材料的发现，以及开展大规模动物实验与全面的生物安全性评估，是推动其临床转化的关键。多学科交叉融合将继续深化我们对压电生物材料与生命系统相互作用的理解。