利用磁电PVDF/BaTiO?–Fe??Ga??层压材料进行无线生物电刺激以实现骨骼再生

《Biomedical Journal》：Wireless bioelectric stimulation for bone regeneration using magnetoelectric PVDF/BaTiO 3 – Fe 80Ga 20 laminates

磁电三明治层结合Galfenol与PVDF/BaTiO3，通过COMSOL Multiphysics三维建模模拟磁致伸缩变形及压电电压生成，验证其在生理磁场下可产生100 nV-5 V电压，无需植入电极，适应不同骨几何，为骨再生提供工程基础，计划后续体外和体内验证

　　骨组织的修复一直是一个重要的临床挑战，尤其是在延迟或受损恢复的情况下，常常受到血管化不足和患者个体差异的阻碍。传统的刺激方法依赖植入电极或外部线圈，但这些方法存在侵入性、复杂性和患者不适等问题。因此，智能生物材料在骨修复中的应用引起了广泛关注，其中磁电（ME）夹层材料由于其能够将外部磁场所产生的电刺激直接作用于骨组织，提供了非侵入式、患者特异性骨再生的潜在解决方案。尽管磁电系统在生物医学刺激方面展现出前景，但其机电耦合特性、可调性以及在骨科应用中的优化仍存在不足。通过计算建模理解这些机制对于开发具有临床转化潜力的磁电骨再生系统至关重要。

本研究提出了一种新型的三明治磁电夹层结构，将磁致伸缩材料Galfenol（Fe₈₀Ga₂₀）与压电层（PVDF或BaTiO₃）结合。这种结构能够在生理相关的磁场强度和频率下生成持续的电压输出，并且能够适应骨组织的几何特性，从而实现个性化刺激方案。在计算建模中，我们采用COMSOL Multiphysics 6.0，构建了一个完全耦合的三维有限元模型，模拟了磁致伸缩变形、界面应变传递和压电电压生成等关键过程。参数研究评估了不同激励条件下的可调性，而比较分析则探讨了PVDF和BaTiO₃夹层材料在性能上的权衡。模拟结果显示，所提出的三明治夹层能够在骨生成相关的电压范围内（100 nV–5 V）持续输出电压，而无需植入电极。这种电压输出具有频率依赖性，能够适应骨几何结构，从而支持个性化的刺激协议。PVDF夹层材料提供了更高的灵活性和生物相容性，而BaTiO₃夹层则实现了更优的电压输出，这些特性为临床优化提供了重要的设计参考。

在生物医学领域，磁电材料的潜力不仅在于其能够无线生成局部电场，还在于其能够将机械应力转化为生物电信号，从而模拟体内自然的电化学环境。例如，Galfenol在室温下的磁致伸缩性能（约为10^?4–10^?3）显著高于传统材料，这使得它在与压电层结合时能够更有效地传递应变并产生更高的电输出。同时，BaTiO₃作为无铅压电陶瓷，展现出良好的生物相容性和化学稳定性，且其在生理条件下的电性能符合自然骨电位（0.15–1.2 V）的范围，这使其成为骨刺激的理想材料。此外，BaTiO₃能够轻松地与聚合物如PVDF或PHB结合，从而制造出柔性且生物相容的复合材料，这在很大程度上缓解了其固有的脆性问题。

研究还探讨了磁电夹层与骨组织结合后的机电耦合特性。通过引入骨组织模型，我们发现当夹层直接接触骨折部位时，其机械变形和电场分布受到骨组织的显著影响。例如，PVDF/Fe₈₀Ga₂₀夹层在与骨组织接触时，其表面电压明显降低，这表明骨组织自身的压电特性可能对夹层的电输出产生影响。因此，为了达到治疗所需的电位水平，必须调整磁激励强度。此外，当夹层与骨组织结合时，其电压极性也可能发生变化，这可能与骨组织的自然电响应有关。这些发现为未来的研究提供了重要的方向，即在设计磁电夹层时需要考虑骨组织的物理特性，并通过调整激励参数来优化其电输出。

为了进一步提高磁电夹层的性能，我们进行了不同磁场强度和频率的参数研究。结果表明，磁场强度对电输出具有显著影响，尤其是在低频激励条件下，适当提高磁场强度可以显著提升夹层的电压输出。此外，频率对夹层的电响应也表现出重要的调节作用。通过比较PVDF和BaTiO₃夹层在不同频率下的表现，我们发现PVDF在低频下的电输出较为稳定，而BaTiO₃在高频下表现出更强的电输出能力。这表明，针对不同的临床需求，可以通过调整夹层的组成和激励参数，实现电输出的优化。

在实际应用中，磁电夹层可以通过两种方式实现：一种是直接集成到骨科固定装置中，另一种是外部安装并由外部磁场驱动。集成式设计允许夹层与骨组织直接接触，从而提高电刺激的效率，而外部安装则提供了更大的灵活性，使得夹层能够适应不同的骨折位置和患者需求。无论哪种设计，夹层的电输出都依赖于其材料特性、几何形状以及外部磁场的控制。因此，为了确保夹层在临床中的有效性和安全性，必须对这些因素进行系统优化。

在临床转化方面，本研究强调了磁电夹层作为非侵入式、可定制化和以患者为中心的骨再生平台的潜力。通过计算建模，我们能够预测夹层在不同条件下的电输出，并为其在生物医学应用中的可行性提供了理论依据。同时，研究还指出了未来需要进行的实验验证，包括体外和体内实验，以评估夹层在实际生物环境中的性能和治疗效果。此外，为了提高夹层的长期稳定性和生物相容性，研究还提出了材料优化策略，如表面功能化、聚合物封装和纳米技术的应用，这些方法可以增强夹层的电输出能力，同时减少其对周围组织的不良影响。

总的来说，本研究为磁电夹层在骨再生中的应用提供了坚实的理论基础和实验支持。通过计算建模和参数优化，我们展示了磁电夹层在骨科修复中的潜力，并为未来的临床研究和转化应用提供了重要的参考。这一技术的发展不仅有助于改善骨修复过程，还可能为其他再生医学领域（如软骨修复、肌腱再生和神经组织工程）提供新的解决方案。