2024年12月，杨帆研究员在《ADVANCED SCIENCE》【IF14.3，Q1】杂志发表题名为"Advanced Piezoelectric Materials, Devices, and Systems for Orthopedic Medicine.”——面向骨科医学的先进压电材料、器件和系统的论文。
瑞金医院/上海市伤骨科研究所杨帆研究员、上海交通大学医学院附属第九人民医院阮静教授为论文的共同通讯作者；瑞金医院/上海市伤骨科研究所张婧恺科研助理、上海交通大学医学院附属第九人民医院刘唱硕士研究生为论文的共同第一作者。
doi：10.1002/advs.202410400.
本文综述了压电材料及其器件在骨科医学领域的前沿应用，包括骨组织修复、软骨再生、骨缺损治疗、炎症调控和骨健康监测。深入探讨了压电材料加速成骨的机制，重点分析了电场调控的离子通道、细胞骨架和信号通路。此外，本文总结了压电材料在骨质疏松、骨关节炎、骨肿瘤及骨感染等疾病中的应用，剖析了当前挑战并提出了未来发展方向。
本综述系统总结了压电材料在骨科医学中的最新应用，揭示了其加速成骨和软骨再生的生物机制，为生物材料设计提供了理论依据。通过探讨多功能压电材料及未来发展方向，提出了创新的治疗方案与技术优化路径，推动了学科交叉融合。压电材料的应用有望实现骨科疾病的精准治疗、提升临床疗效，并推动无创或微创技术在骨组织修复与健康监测中的应用。
Abstract
Harnessing the robust electromechanical couplings, piezoelectric materials not only enable efficient bio-energy harvesting, physiological sensing and actuating but also open enormous opportunities for therapeutic treatments through surface polarization directly interacting with electroactive cells, tissues, and organs. Known for its highly oriented and hierarchical structure, collagen in natural bones produces local electrical signals to stimulate osteoblasts and promote bone formation, inspiring the application of piezoelectric materials in orthopedic medicine. Recent studies showed that piezoelectricity can impact microenvironments by regulating molecular sensors including ion channels, cytoskeletal elements, cell adhesion proteins, and other signaling pathways. This review thus focuses on discussing the pioneering applications of piezoelectricity in the diagnosis and treatment of orthopedic diseases, aiming to offer valuable insights for advancing next-generation medical technologies. Beginning with an introduction to the principles of piezoelectricity and various piezoelectric materials, this review paper delves into the mechanisms through which piezoelectric materials accelerated osteogenesis. A comprehensive overview of piezoelectric materials, devices, and systems enhancing bone tissue repair, alleviating inflammation at infection sites, and monitoring bone health is then provided, respectively. Finally, the major challenges faced by applications of piezoelectricity in orthopedic conditions are thoroughly discussed, along with a critical outlook on future development trends.
中文摘要
压电材料凭借其卓越的机电耦合性能，不仅实现了高效的生物能量采集、生理传感与执行，还通过表面极化与电活性细胞、组织和器官直接相互作用，为治疗带来了巨大的应用前景。天然骨骼中高度取向且具分级结构的胶原蛋白能够产生局部电信号，刺激成骨细胞并促进骨形成，这启发了压电材料在骨科医学中的应用。最新研究表明，压电效应可以通过调控分子传感器（如离子通道、细胞骨架组分、细胞黏附蛋白及其他信号通路）来影响微环境。因此，本综述聚焦于压电效应在骨科疾病诊疗中的开创性应用，旨在为下一代医疗技术的发展提供有价值的见解。本文首先介绍了压电效应的基本原理及多种压电材料，随后深入探讨了压电材料促进成骨的机制。此外，本文分别全面综述了压电材料、器件与系统在增强骨组织修复、缓解感染部位炎症及监测骨健康方面的应用。最后，本文深入探讨了压电效应在骨科应用中所面临的主要挑战，并对未来发展趋势进行了展望。
作者
介绍
杨帆 研究员，上海交通大学医学院附属瑞金医院/上海市伤骨科研究所；研究方向：压电生物材料合成技术与医学应用；无源柔性医学诊疗电子器件与系统。
张婧恺 科研助理，上海交通大学医学院附属瑞金医院/上海市伤骨科研究所；研究方向：压电生物材料的机制和骨疾病的药物治疗。
【扫描二维码可下载原文】
Advanced Piezoelectric Materials, Devices, and Systems for Orthopedic Medicine.pdf
