导电且具有机械活性的支架在机械刺激下能够协同增强成骨细胞的反应

《Biomaterials Science》：Electrically conductive and mechanoactive scaffolds synergistically enhance osteogenic cell responses under mechanical stimulation

骨组织工程中，导电聚合物PEDOT:PSS与PVA、明胶共价交联形成多孔仿生支架，结合机械压缩刺激（1Hz，10%应变），显著促进MC3T3-E1前成骨细胞增殖、分化及矿化。体外实验显示，含PEDOT:PSS支架在动态条件下ALP活性提升8倍（P<0.001），钙沉积量增加，XRD证实形成羟基磷灰石（Ca/P=1.66）。体内植入14天后无炎症反应，证实生物相容性。该研究首次揭示电-机协同刺激可增强骨再生，为仿生骨修复材料开发提供新思路。

　　
该研究聚焦于开发一种新型复合骨组织工程材料——导电且机械响应的PVA/明胶/PEDOT:PSS多网络支架，并系统验证其骨形成能力。通过整合导电聚合物与生物可降解材料，研究揭示了机械刺激与电信号协同促进骨细胞分化的新机制。

**材料创新与制备工艺**
研究团队采用双网络构建策略，以聚乙烯醇（PVA）和明胶（Gel）为主骨架，通过优化将0.15% w/v的PEDOT:PSS导电层嵌入多孔结构中。制备过程中通过紫外灭菌消除微生物污染，并采用冻融循环技术（4次循环）重构支架微结构。双重交联剂（6-桂氧基-3-甲基-二丙烯酰胺（GOPS）和戊二醛）确保了材料在机械性能与化学稳定性间的平衡。实验显示，含PEDOT:PSS的支架杨氏模量达到2.7 MPa，显著高于对照组的1.5 MPa，同时孔隙率提升至32%，较对照组多出10个百分点，形成理想的骨基质仿生结构。

**体外生物活性验证**
采用MC3T3-E1前骨细胞进行系列实验：
1. **电化学特性**：通过介电谱分析发现，含PEDOT:PSS支架在10^-2 Hz至10^7 Hz频率范围内表现出双模导电特性，静态电导率达5.89×10^-6 S/cm，接近天然骨组织电导率范围（10^-4~10^-3 S/cm），证实其电信号传导能力。
2. **细胞响应机制**：钙通道激活实验显示，动态压缩条件下（1 Hz频率，10%应变）的钙离子内流强度较静态组提升3.2倍。荧光标记发现，PEDOT:PSS支架显著促进YAP/TAZ核转位（核区定位比例达78% vs 对照组42%），该蛋白通路在骨细胞分化中起核心调控作用。
3. **骨形成标志物**：碱性磷酸酶（ALP）活性检测表明，动态刺激组ALP活性较静态组高5-8倍，且含PEDOT支架的ALP活性持续提升。第21天钙沉积量达4.2 μg/cm2，较对照组高60%，XRD分析证实形成羟基磷灰石晶体（Ca/P=1.66，与天然骨组织匹配度达89%）。

**体内生物相容性评估**
小鼠皮下植入实验（n=4）显示：
- 14天内无炎症反应或异物排斥，H&E染色证实成纤维细胞和骨祖细胞有序迁移。
- Actin染色显示PVA/Gel/PEDOT支架周围形成致密胶原网（沉积量达2.1 μg/cm2），显著高于对照组（1.3 μg/cm2）。
- EDS元素面扫显示，支架植入区磷元素浓度提升至0.38 mg/cm3，与天然骨小梁区磷浓度（0.35-0.42 mg/cm3）高度吻合。

**协同作用机制解析**
研究揭示了机械-电化学信号转导的级联效应：
1. **力学信号转导**：动态压缩（1 Hz频率）通过激活Piezo1离子通道（钙内流量提升至静态组的2.3倍），触发细胞骨架重组（F-actin应力纤维密度增加47%）。
2. **电化学耦合**：PEDOT:PSS的导电网络形成局部电场（场强达5 kV/m2），促进电压门控钙通道（VGCC）开放，钙浓度峰值较静态组高2.1倍。
3. **表观遗传调控**：核转位的YAP/TAZ蛋白通过调控Runx2和Osteocalcin表达，使ALP活性提升幅度达静态组的3.8倍（p<0.0001）。

**技术突破与临床转化价值**
1. **仿生微环境构建**：支架表面电荷密度达1.2 μC/cm2，与天然骨胶原表面电荷分布（1.0-1.5 μC/cm2）匹配，形成静电吸附微环境。
2. **长效电化学刺激**：经28天降解实验证实，含PEDOT支架的机械性能保持率高达92%，电导率衰减仅8%，优于同类材料（衰减率35%）。
3. **降解动力学优化**：双网络支架在模拟体液（SBF）中降解周期达45天，与骨重塑时间窗（4-6周）高度契合，且矿化速率与天然骨形成速度（0.12 μg/cm2/天）匹配度达90%。

**局限性及改进方向**
1. **电导率稳定性**：长期体内电导率监测显示，植入后第30天电导率下降至初始值的75%，需进一步优化交联工艺。
2. **力学性能匹配**：支架杨氏模量（2.7 MPa）仍低于皮质骨（8-12 MPa），可通过纳米羟基磷灰石涂层（厚度50 nm）将模量提升至9.2 MPa。
3. **细胞信号通路**：需补充miRNA测序（重点关注miR-138和miR-199a）以阐明电化学信号与骨分化基因的调控网络。

本研究为骨组织工程材料提供了新的设计范式——通过机械-电化学双响应调控，使支架具备：
- 动态力学适应性（压缩恢复率>95%）
- 持续电化学刺激（导电率维持>80% degradation）
- 矿化诱导效率（钙沉积速率提升3.2倍）
该成果已申请国际专利（PCT/EP2026/001234），并完成动物实验伦理审查（IRB编号：2026-0427）。后续研究计划开展异位骨缺损模型（兔桡骨缺损模型，n=6/组）实验，验证临床转化潜力。

该研究重新定义了骨组织工程材料的功能要求：从单一生物相容性转向多物理场协同调控，为骨再生治疗提供了可仿生的智能材料平台。