研究背景
骨软骨损伤是一种常见且难以治疗的疾病，尤其在运动损伤和老龄化人群中发病率较高。由于软骨缺乏血管和神经供应，其自我再生能力极为有限，因此现有的临床治疗方法主要集中在缓解症状，如使用镇痛药和抗炎药物，但这些方法对实际损伤修复的效果有限。组织工程学方法虽然被用于辅助骨软骨修复（例如微骨折术），但在生物活性因子的传递、化学改性的实现以及生物力学因素的优化方面仍面临显著挑战。近年来，电刺激因其在多种生理过程（包括神经功能和组织再生）中的重要作用，逐渐被应用于促进骨和软骨的再生，研究表明低电压电刺激有利于软骨分化，而高电压有助于骨生成。然而，目前用于生物电刺激的材料大多存在生物降解性不足的问题，例如含重金属的盐类材料虽具有良好的压电性能，但不适合长期植入，而传统的压电聚合物则不可降解，因此限制了其在生物医用中的广泛应用。基于此，该研究旨在设计一种可降解的压电-导电复合水凝胶支架，通过压电修饰的脱细胞外基质（dECM）和导电修饰的明胶（Gel-PC）形成双层水凝胶支架，结合压电和导电特性，以促进软骨和骨的双向分化，提供一种更符合生理需求的骨软骨修复平台。相关工作以“Biodegradable Piezoelectric-Conductive Integrated Hydrogel Scaffold for Repair of Osteochondral Defects”为题发表在《Advanced Materials》。
https://doi.org/10.1002/adma.202409400
研究内容
研究团队展示了一种基于压电和导电双层水凝胶支架的骨软骨修复方法（图1）。首先，通过脱细胞外基质（dECM），经过修饰和冷冻干燥形成压电层；随后，与明胶和导电材料PEDOT结合，制备出兼具压电和导电特性的复合层。该支架植入骨软骨缺损部位后，机械信号引发压电效应，吸引骨髓间充质干细胞（MSC）迁移并在不同的微环境下分别分化为软骨细胞和成骨细胞。其中，软骨分化依赖TLR和PI3K-Akt通路，而成骨分化则通过Ca2+-CAMK2D和TGF-β信号调控，最终实现软骨与骨组织的同步修复。
图1 基于压电-导电双层水凝胶支架的骨软骨同步修复策略
团队展示了压电-导电复合水凝胶支架的制备过程及其物理、机械和电学性能。图2a显示了压电和导电层的结合方式，通过受压引发电流产生输出电压。图2b展示了支架底层（Gel、Gel-C和Gel-PC）和顶层（dECM和dECM-P）在显微镜下的结构形貌。图2c、d和e评估了材料的电阻抗、导电性和电流响应性能。图2f和2g展示了支架在受力条件下的电流与电压稳定性。图2h至图2j分析了复合支架的应力分布、相对变形和压缩应力响应。图2k和l测量了水凝胶的吸水膨胀比和含水量，而图2m显示了不同条件下支架的降解率。整体结果表明，该复合支架具有良好的机械强度和稳定的电学性能，适合用于骨软骨修复中的力电刺激应用。
图2 压电-导电水凝胶复合支架的制备及其物理性能表征
团队展示了压电-导电复合水凝胶支架在促进MSCs成软骨和成骨分化中的应用效果。图3a概述了实验流程，MSCs在支架上受力后，通过力电刺激分别促进成软骨分化和成骨分化。图3b显示了第14天支架上细胞的三维生长分布，表明支架的有利支持作用。图3c展示了细胞迁移实验的结果，支架材料促进了细胞在24小时内的迁移。图3d展示了钙离子流动实验，表明支架对细胞钙流动的影响。图3e和图3f分别通过Alcian blue染色和碱性磷酸酶（ALP）染色检测成软骨和成骨标志物的表达情况，并用COL II和COL I染色进一步确认了软骨和骨生成。图3g和图3h则定量分析了成软骨基因（ACAN、COL II）和成骨基因（ALP、COL I）的表达水平，结果显示，复合支架显著促进了成软骨和成骨基因的表达，具有较强的分化诱导效果。
图3 压电-导电水凝胶支架对干细胞成软骨和成骨分化的诱导效果
压电刺激对成软骨和成骨分化过程中基因表达和通路富集的影响。图4a和图4f为火山图，分别显示了成软骨（图4a）和成骨（图4f）分化过程中上调和下调的基因。红色点表示显著上调的基因，蓝色点表示显著下调的基因。图4b和图4g则展示了成软骨和成骨分化相关的通路富集分析，标出了显著富集的信号通路，如TGF-β、钙信号通路、PI3K-Akt等，这些通路与细胞分化和增殖密切相关。图4c和图4h显示了关键成软骨基因（SOX9、ACAN、COL II A1）和成骨基因（SPP1、COL I A1、ALP）的表达量分析，表明压电刺激显著促进了这些基因的表达。图4d和图4i展示了细胞黏附分子和细胞因子-细胞因子受体交互作用的富集分析结果。图4e显示了实验流程，从长链非编码RNA提取到高通量测序分析，揭示了压电刺激在成软骨和成骨分化中的调控机制。
图4 压电刺激对成软骨与成骨分化基因表达和信号通路的影响
研究者探讨了在大面积骨软骨缺损模型中，使用压电导电支架的效果。图5a显示了猪模型大面积骨软骨缺损的建模过程和植入压电导电支架的步骤。图5b显示了支架的压电电压信号随时间的变化，表明支架在力学环境下产生的电信号稳定。图5c展示了不同实验组（D-N、D-C、D-P、D-PC）的肉眼观测图、MRI成像和微CT成像结果。可以观察到压电导电支架（D-PC组）在修复效果上的优势。图5d、e和f分别量化了ICRS评分、骨厚度和骨体积/总体积（BV/TV），结果显示D-PC组在这些指标上表现出显著的提高。图5g通过阿利新蓝染色、H&E染色和SO&FG染色展示了不同组在组织学上的差异，D-PC组显示了较好的软骨和骨结构修复效果。图5h和5i分别展示了Seller’s评分和Wakitani评分，进一步量化了修复效果，D-PC组的评分显著优于其他组。
图5 压电导电支架在大面积骨软骨缺损修复中的应用效果
图6展示了不同组别（D-N、D-C、D-P、D-PC）在骨软骨修复后的力学性能和组织结构变化。图6a通过纳米压痕实验显示了各组表面的力学特性，图6b和c量化了不同组的模量（Er）和硬度，D-PC组表现出最高的力学性能，接近正常组织。图6d为天狼星红染色的结果，用于评估胶原纤维的排列和分布，显示D-PC组在表面和深层区域的胶原纤维排列最接近正常组织。图6e则进一步分析了胶原纤维在表面和深层的角度分布，反映出不同组在纤维排列上的差异，D-PC组纤维排列更趋于正常组织的结构。图6f展示了表面和深层纤维的极坐标分布，D-PC组的极坐标分布较为集中，说明其在纤维排列方向上更接近正常组织。
图6 不同支架对骨软骨缺损修复的力学性能与胶原纤维结构影响
总结
研究团队设计了一种压电导电水凝胶支架，以模拟人类运动过程中的电生理现象。体外实验表明，这种支架具有优异的生物相容性，显著促进了细胞迁移以及软骨和成骨分化。此外，通过RNA测序技术识别了受力电刺激影响的上层和下层的关键靶标分子，为后续研究奠定了基础。在大动物的体内移植实验中，该支架通过下层导电层的设计满足了骨区高电输出的需求。具体来说，支架在表面累积正电荷，从而吸引干细胞迁移并增强软骨修复效果。尤其是在具有骨软骨缺损的帕尔马猪模型中，该支架展示了良好的修复效果，表明其具有潜在的临床治疗前景。
来源：九院3D打印中心王金武团队
