具有形状记忆和生物电活性特性的仿生钛酸钡/聚乳酸（PLA）支架有助于促进骨骼再生

《International Journal of Nanomedicine》：Biomimetic Barium Titanate/PLA Scaffold with Shape Memory and Bioelectro-Active Capacities Promotes Bone Regeneration

骨缺损修复中，基于4D打印技术制备的20% BaTiO3/PLA复合支架在低强度脉冲超声（LIPUS）刺激下，通过形状记忆特性实现微创植入，并利用压电效应重构局部电微环境，显著促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）增殖、成骨分化及骨再生。实验显示，该支架机械性能（压缩强度25 MPa）符合骨组织要求，表面粗糙度与亲水性优化增强细胞粘附，LIPUS激活压电效应使细胞分化相关基因（ALP、Runx2、COL-A1、OPN）表达上调1.5-2.8倍，骨体积分数（BV/TV）和骨密度（BMD）较对照组提高28%-39%。机制研究表明，压电效应通过PI3K-Akt信号通路调控骨再生。

　　这项研究探索了一种结合了形状记忆与压电效应的新型复合材料，旨在为骨组织工程提供一种具有生物活性的支架材料。骨作为天然的压电材料，能够将机械应力转化为电信号，而局部生物电变化对骨修复过程具有重要影响。当前，大多数仿生骨材料的研究主要集中在成分、生物活性和结构上，却忽略了生物电效应的重要性。压电材料能够重建局部的电微环境，模拟自然调节机制，并克服传统材料在结构依赖性方面的局限，为骨修复提供了有效的策略。

为了实现这一目标，研究人员采用4D打印技术，将钛酸钡（BT）纳米陶瓷颗粒嵌入具有热响应性的聚乳酸（PLA）中，制备出具有形状记忆和压电特性的BT/PLA复合支架。这种技术不仅能够精确地控制支架的结构和功能，还引入了时间作为第四维度，使材料能够根据外部刺激发生预编程的变形。这为生物材料在动态生物环境中的适应性提供了新的可能。支架的性能评估包括扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、表面粗糙度分析、水接触角测量以及机械和压电性能测试。细胞实验则用于验证这些支架对骨髓间充质干细胞（BMSCs）的增殖、粘附和成骨能力的影响，特别是在低强度脉冲超声波（LIPUS）刺激下的表现。

实验结果表明，含有20% BT的支架在机械性能和形状记忆方面表现优异，其压缩强度约为25 MPa，形状恢复时间仅需5秒，形状恢复率超过96.5%。这些性能指标满足了临床需求，并且与人体松质骨的正常范围相符。此外，20% BT/PLA支架在LIPUS刺激下产生了约1 μA的电流，其压电系数d33达到2.3 pC/N，与人体骨组织的压电性能相当，说明该材料在生物电学特性方面具有显著优势。

支架的生物相容性同样得到了验证。细胞实验显示，所有支架均未表现出明显的细胞毒性，且含有BT的支架促进了细胞的增殖和粘附。在LIPUS刺激下，BT/PLA支架的细胞活性进一步增强，这表明压电效应在促进细胞生长方面发挥了关键作用。此外，通过扫描电镜（SEM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察细胞形态，结果显示BT/PLA + LIPUS组的细胞粘附率和形态改善最为显著，细胞呈现出更自然的扩展形态，显示出良好的生物相容性。

在体内实验中，研究人员使用了大鼠颅骨缺损模型来评估支架的骨修复效果。结果显示，BT/PLA + LIPUS组的骨形成最为显著，几乎完全覆盖了缺损区域，且骨矿密度（BMD）显著提高。相比之下，其他组别如PLA、BT/PLA和PLA + LIPUS组虽然也显示出一定的骨修复能力，但其效果远不如BT/PLA + LIPUS组。组织学分析也证实了这一点，没有发现炎症或病理异常，进一步支持了该材料的安全性和有效性。

为了更深入地理解该材料促进骨再生的机制，研究人员还进行了转录组测序分析。结果显示，BT/PLA + LIPUS组的基因表达差异显著，特别是与PI3K-Akt信号通路相关的基因。PI3K-Akt通路在细胞增殖、凋亡和分化中起着关键作用，并且已被证实是调控骨再生的重要机制之一。通过qRT-PCR分析，研究人员发现BT/PLA + LIPUS组的PI3K和Akt基因表达水平显著高于BT/PLA组，说明压电效应可能通过激活PI3K-Akt通路促进BMSCs的成骨分化。此外，当使用PI3K-Akt通路抑制剂LY294002处理BT/PLA + LIPUS组时，PI3K和Akt的表达水平显著下降，进一步验证了压电效应在促进成骨过程中的作用。

尽管这项研究取得了重要的进展，但仍存在一些局限性。例如，尚未建立更大动物模型来进一步验证材料的临床适用性；同时，对PI3K-Akt通路的上下游机制仍需深入研究。未来的研究计划包括开展长期动物实验，以评估支架的成骨性能和降解行为；进一步优化支架的性能参数，使其更好地适应临床骨修复需求；探索该复合支架在不同类型骨缺损修复中的应用潜力，并推动其向临床转化。此外，还将研究支架与免疫调节之间的相互作用，以及其在血管生成方面的潜在作用，以更全面地评估其在骨组织工程中的应用前景。

综上所述，这项研究通过结合形状记忆和压电效应，成功开发出一种新型的骨修复支架材料，具有良好的机械性能、生物相容性以及促进骨再生的能力。其在体内表现出显著的骨形成效果，表明该材料在临床上具有巨大潜力。此外，通过激活PI3K-Akt通路，该支架能够有效促进BMSCs的增殖和成骨分化，为骨组织工程提供了新的研究方向。未来的研究将进一步探索该材料的机制，并推动其在骨修复领域的实际应用。