撰文︱厲 ?偉
審閱︱田 ?京
責編︱王思珍
大段骨缺損（critical-sized bone defect）是臨床骨科治療中的一大難題，遠超機體的自我修復能力。面對此類損傷，目前多采用自體骨移植、異體骨填充或人工支架輔助修復。然而，這些手段普遍存在供體來源有限、免疫排斥風險高、結(jié)構(gòu)整合差以及手術(shù)復雜性強等問題，限制了其臨床應用的廣泛性和有效性。
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近年來，具備“力-電”轉(zhuǎn)換能力的壓電材料（piezoelectric materials）因能在微弱機械刺激下產(chǎn)生電信號、調(diào)控細胞行為，被視為骨再生領(lǐng)域的重要突破點。已有研究表明，電刺激有助于骨髓間充質(zhì)干細胞的成骨分化和血管生成，促進骨缺損修復。然而，現(xiàn)有壓電系統(tǒng)往往依賴外部能量輸入（如超聲、拉伸、電極通電）或需結(jié)合骨支架共同應用，仍面臨設(shè)備依賴強、操作復雜、難以適配臨床場景等難題。
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因此，亟需一種“無外源激勵、無骨支架、具備自發(fā)電能力”的新型策略，用以構(gòu)建穩(wěn)定生物電環(huán)境，在骨缺損修復中實現(xiàn)真正的簡化與高效。本研究正是圍繞這一關(guān)鍵科學問題展開。
近日，南方醫(yī)科大學珠江醫(yī)院田京、陸遙教授團隊聯(lián)合華南理工大學發(fā)光材料與器件國家重點實驗室李國強教授團隊在《自然·通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表題為“Self-reinforced piezoelectric chip for scaffold-free repair of critical-sized bone defects”?的研究論文。研究開發(fā)出一種新型“自增強壓電芯片”，可在無需骨支架與外部刺激的條件下，通過感應生理振動自主釋放生物電信號，加速成骨與血管生成，4周內(nèi)實現(xiàn)兔股骨大段缺損的快速修復，展示出良好的生物相容性與臨床轉(zhuǎn)化潛力。
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研究亮點與結(jié)果詳述
自增強AlN壓電芯片的構(gòu)建與表征
研究團隊設(shè)計了一種基于第三代半導體氮化鋁（AlN）的多層壓電芯片，結(jié)構(gòu)由AlN壓電層、鉬（Mo）電極與帶腔體結(jié)構(gòu)的硅（Si）基底組成。通過在硅基底內(nèi)構(gòu)建“長方形內(nèi)腔”，芯片可在肌肉收縮或骨骼振動等生理微動作用下產(chǎn)生穩(wěn)定的交變電信號。該自增強設(shè)計顯著增強了芯片對低頻力學刺激的敏感性，實現(xiàn)了無外部設(shè)備條件下的電信號輸出。
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圖?1：用于無支架修復關(guān)鍵尺寸骨缺損的自增強壓電芯片的設(shè)計與特性分析。
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AlN芯片能促進成骨分化和血管生成
體外培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)，芯片在模擬生理振動下可顯著增強骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs）的增殖活性和成骨潛能。與對照組相比，AlN芯片+振動組的細胞活性最高，細胞骨架延展充分，成活率與密度顯著提高。同時，成骨早期標志物堿性磷酸酶染色及茜素紅染色均顯示芯片組在7天和21天時具有最強的成骨能力。芯片對人臍靜脈內(nèi)皮細胞（HUVECs）同樣展現(xiàn)出強力促血管效應。AlN芯片+振動組HUVECs遷移加快，形成更多分支結(jié)構(gòu)；VEGF-A、CD31等血管生成關(guān)鍵基因和蛋白表達水平顯著上調(diào)，顯示芯片釋放的電信號不僅能促進成骨，也能顯著提升局部血管生成。
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圖?2：該芯片的體外成骨效果。
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AlN芯片可在4周內(nèi)重建大段負骨缺損
在兔股骨干大段骨缺損模型中，研究將芯片通過PDMS粘附于8孔Ti6Al4V鋼板中部，再按臨床骨折固定原則植入骨缺損區(qū)。術(shù)后未添加任何骨移植材料、細胞、支架或外部振動，僅依賴兔自身生理運動提供力學刺激。術(shù)后4周，X光及Micro-CT影像顯示，芯片組缺損區(qū)幾近完全橋接修復，骨量、骨小梁數(shù)目顯著高于其他組別。
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圖?3：該芯片促進兔子關(guān)鍵尺寸股骨缺損處的骨形成。
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本研究提出了一種具有自增強功能的新型壓電芯片系統(tǒng)，突破性地實現(xiàn)了無需支架與外部刺激條件下的大段骨缺損修復。芯片通過腔體結(jié)構(gòu)增強生理振動響應能力，在體內(nèi)自主釋放穩(wěn)定微電信號，協(xié)同激活成骨與血管生成通路，為構(gòu)建“內(nèi)源驅(qū)動式”骨修復微環(huán)境提供了全新路徑。
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與以往依賴支架、外部供能或復合細胞材料的策略不同，該芯片僅需通過PDMS固定于臨床常用的金屬鋼板，即可在原有骨折固定體系中發(fā)揮“即插即用”的骨修復功能，具備高度臨床適配性和簡化操作優(yōu)勢。
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該芯片策略有望拓展應用至更多類型的骨科植入系統(tǒng)（如脊柱、口腔種植等），推動“無源型骨修復智能材料”的落地轉(zhuǎn)化，為骨再生工程提供更智能、低依賴的解決方案。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61243-w
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本研究由南方醫(yī)科大學珠江醫(yī)院臨床技能中心、關(guān)節(jié)骨病外科牽頭，聯(lián)合華南理工大學發(fā)光材料與器件國家重點實驗室共同完成。
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