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本综述聚焦自供电纳米发电机产生的电刺激（ES）在骨与肌腱、神经、皮肤及心肌组织修复中的单一或多功能作用，探讨其促修复机制、参数匹配及应用挑战，为组织修复新兴技术发展提供参考。
生物电与自供电纳米发电机在组织修复中的应用
组织修复是受损组织通过邻近健康细胞再生的过程，生物电现象对细胞增殖和修复能力有重要影响，内源性电场由生物体内离子流或电位差产生，在胚胎发育、组织修复和伤口愈合等生理过程中起关键调控作用。近年来，电刺激（ES）作为外部刺激被广泛用于模拟和增强组织器官的内源性生物电，因其具有损伤小、诱导免疫反应少、参数控制精确和可重复等优点。然而，目前能够产生电刺激的发电设备存在成本高、便携性差、电池容量有限和更换困难等缺点。2006 年，基于麦克斯韦位移电流理论，王等人提出了自供电纳米发电机的概念，该装置可将肌肉拉伸、身体运动或超声刺激等机械能转化为电能，因其小型化、自供电和高效率等特点，已被开发用于可穿戴智能设备、新能源、环境保护、高精度传感器和心脏起搏器等植入式医疗设备。在生物医学领域，纳米发电机通过利用肌肉拉伸和身体运动产生安全稳定的电刺激输出，在诱导组织调节和解决各种病理生理治疗场景方面具有巨大潜力，因此，将纳米发电机产生的电刺激与细胞生物电相结合来调节内源性电场，是一种有前途的增强组织修复的策略，可显著推动生物医学工程的发展。
电刺激在骨和肌腱组织修复中的应用
骨和肌腱组织作为结缔组织，在结构和功能上相互关联，其关键特征是细胞外基质（ECM）占主导地位，由纤维成分（如胶原蛋白、弹性蛋白）和基质物质（如糖蛋白、矿物质）组成，主要功能是支持、连接和保护其他组织。随着全球人口老龄化，骨折、骨质疏松和骨转移等成骨障碍日益普遍，此外，创伤、感染或骨肿瘤切除导致的骨缺损也非常常见。目前，骨缺损修复的主要治疗选择包括植入自体移植物、同种异体移植物、异种移植物或合成移植物，肌腱疾病的当前标准治疗包括通过使用缝合线和生物或合成移植物进行直接端到端修复的外科手术干预，但这些疗法都存在一定的临床风险，且都无法将骨和肌腱功能完全恢复到损伤前的状态，也无法在长时间内紧密模拟天然组织的生物力学，因此，开发和利用疗效更好的新材料势在必行。
随着组织工程和骨修复技术的进步，物理疗法已成为增强骨愈合的有效手段，常用的治疗方法包括负压治疗、磁场暴露和电刺激。许多研究表明，骨骼具有物理机械和生物电化学特性，根据沃尔夫定律，骨骼能够对机械负荷做出反应，在承受压力的区域进行加固。在骨损伤的情况下，细胞行为受到响应性生物电信号的引导，因此，激发了许多策略的发展，如电刺激来模拟或增强骨损伤治疗的生物电，通过激活特定的组织再生信号通路，在加速功能恢复方面显示出了希望。纳米发电机产生的电刺激可以对微弱的机械力做出反应，促进各种生物过程，包括促进细胞外钙的流入、激活酶通路和诱导生长因子的产生，这些作用促进成骨细胞的活化、增殖、分化、细胞外基质的沉积和骨的形成，还被证明可以调节机械敏感离子通道的敏感性，在体外和肌腱组织再生过程中有效调节离子通道，促进肌腱特异性修复过程，从而为改善肌腱愈合结果提供了一种潜在的方法。
电刺激在神经组织修复中的应用
神经系统主要控制生物体的生命活动，周围或中枢神经系统的损伤通常会导致感觉和运动功能的显著丧失，严重影响患者的生活质量，癫痫、帕金森病和阿尔茨海默病等神经系统疾病长期以来一直是影响人类的疾病，其症状进行性发展，可导致残疾甚至死亡。神经组织由神经细胞和神经胶质细胞组成，两者都是具有突起的细胞，创伤、中风和各种神经退行性疾病可导致中枢神经系统（CNS）损伤，导致神经组织的损伤和丧失，此外，周围神经损伤（PNI）是感觉运动功能和生产力永久性残疾的常见原因，2-5% 的创伤病例通常由轴突丢失引起，导致神经细胞的持续死亡。目前，中枢神经系统和周围神经损伤的治疗包括自体神经引导导管、神经移植和功能性电刺激，神经组织工程被认为是神经系统再生的一种非常有前途的方法，其中，间充质干细胞（MSCs）是一种可以分化为神经细胞的多能细胞，由于其来源丰富且易于分离，已成为神经再生医学中最重要的干细胞来源之一，因此，诱导间充质干细胞分化为神经细胞，将有助于神经损伤的治疗。
许多研究表明，电等物理信号以及材料的拓扑特性有助于调节干细胞的命运，作为一种物理干预，电刺激长期以来一直被用于促进轴突再生，表面电荷和电活性动态微环境在增强神经元样细胞的粘附、增殖和分化方面都显示出了潜力，此外，由于其可控性和易于实施，电刺激促进神经元的生长和附着，促进神经干细胞（NSCs）的增殖和分化，电神经刺激疗法的有效性已在慢性疼痛、严重瘫痪和严重感觉障碍等患者中得到证实，小型化和可穿戴式电刺激设备（如纳米发电机）的发展对神经组织修复具有重要意义。
电刺激在皮肤组织修复中的应用
皮肤作为人体最大的器官，在防止损伤和微生物入侵方面起着至关重要的作用，皮肤创伤后，其保护和防御功能会受到损害，威胁人类健康，虽然创可贴、外科皮肤移植和自我修复是伤口愈合的常见治疗选择，但广泛的全层伤口需要较长的恢复时间，创伤后的疤痕减少也需要引起注意。在完整的皮肤中，表皮和真皮协同作用，建立起抵御外部环境的保护屏障，然而，当这一屏障受到损害时，会触发一系列生化事件，启动损伤修复，皮肤组织愈合过程包括四个不同的阶段：凝血期、炎症期、增生期和重塑期，目前，研究人员越来越关注探索加速伤口愈合、增强伤口恢复和减少疤痕形成的方法。
值得注意的是，许多报道指出，定向离子流产生的生物电在促进伤口愈合中起着至关重要的作用，无论皮肤伤口是急性还是慢性，受损的上皮都会表现出不同的跨上皮电位分布，从而产生内源性电场，内源性电场在引导角质形成细胞迁移和促进血管生成方面起着关键作用，具体来说，伤口床的离子梯度导致跨上皮电位差，跨上皮电位的破坏导致内源性电场的形成，在伤口环境中，内源性电场的强度减弱，损害了皮肤的再生能力，具有特定强度和方向的外源性电刺激可以模拟内源性电场的作用，有效促进伤口愈合，代表了一种治疗慢性和不愈合伤口的独特物理方法，电刺激疗法在引导表皮细胞迁移、成纤维细胞增殖和促进受体接受特定生长因子以促进皮肤再生方面起着至关重要的作用，能够持续模拟和放大内源性生物电的可穿戴和自供电小型智能医疗电刺激材料或设备，在加速伤口愈合和防止疤痕形成方面具有重要意义。
电刺激在心肌组织修复和功能恢复中的应用
心肌损伤可导致心脏功能不全、心力衰竭甚至死亡，目前，心脏移植是一种常见的治疗方法，但由于器官供体短缺和免疫抑制等问题而受到限制，近年来，基于心肌细胞的治疗策略已被探索用于治疗心肌损伤，提供了一种有前途的方法，外源性电刺激可诱导心肌细胞的功能成熟，促进血管生成，并有助于心肌组织的修复，此外，增强内源性生物电的功能装置（如纳米发电机）可显著改善心肌纤维化区域的电传导，促进心肌同步收缩，从而减少心律失常。
自供电纳米发电机的分类及原理
自供电技术在植入式电子医疗设备中的应用，主要有两种途径，一是通过 transduction 装置将环境中的能量（肌肉收缩、血流、穿过组织的红外光和声波等）转化为电能，为设备供电；二是通过 transduction 装置将体内的物理和化学能转化为电能，如渗出液激活电池和原电池微针。纳米发电机的理论基础是麦克斯韦位移电流理论，遵循极化电荷产生的概念，纳米发电机分为不同的类型，包括压电纳米发电机（PENG）、摩擦电纳米发电机（TENG）和热释电纳米发电机（PYENG）等。
压电纳米发电机（PENG）
2006 年，王中林教授发明了世界上第一台压电纳米发电机，压电纳米发电机通过压电极化产生电场并驱动电子运动，将机械能转化为电能。早在 20 世纪 50 年代，学者们就证明了骨骼在压力下的生物压电效应，这是功能完整的骨骼发育所必需的，研究表明，当骨骼受到机械应力时，会产生电信号，促进骨骼生长和重塑，因此，具有压电特性的骨替代物有利于骨修复过程，如柔性复合压电纳米发电机，它也适用于皮肤组织修复，由于超声刺激触发电刺激，在表皮应用比穿透内部组织更有效，此外，它还便于掺杂药物与皮肤直接接触，从而表现出多功能特性，此外，压电场可以通过行走和心跳等生理运动过程产生，这也适用于肌腱和心肌组织的功能恢复。
压电材料具有压电效应，包括正压电效应和逆压电效应，压电纳米发电机基于正压电效应原理，将机械能（如拉伸、压缩、挤压等）转化为电能，在实际应用中，机械能可以来自各种来源，包括机械振动、人体运动和空气振动等。王等人首先基于氧化锌纳米线开发了压电纳米发电机的原理，氧化锌具有半导体和压电的双重作用，肖特基势垒确保了氧化锌产生单向电流的能力，当氧化锌半导体与金属电极（如铂）接触时，由于氧化锌的电子功函数低于铂电极，电子从氧化锌流入金属电极，结果，氧化锌产生正电荷，形成类似于 P-N 结的结构，当从铂电极向氧化锌施加外部电场时，内部电子能够流动并产生输出电流，当氧化锌纳米线弯曲时，氧离子和锌离子发生相对运动，导致压缩区域产生负电位，拉伸区域产生正电位，铂探针可视为零电位，只有当探针放置在压缩侧时，才会产生正电位差，类似于打开 P-N 结并在外部电路中产生电流。
压电纳米发电机可根据制备材料进行分类，包括压电半导体、压电陶瓷、压电聚合物和压电复合材料。压电半导体（如基于氧化锌的压电纳米发电机）由于其强大的压电特性，被涂覆在组织再生支架上，可以产生整流压电电流，可用于组织工程应用；压电陶瓷（以钛酸钡（BaTiO3）基压电纳米发电机为代表）是具有高细胞相容性和生物相容性的无机化合物，通常嵌入复合材料中以提高压电纳米发电机的压电性能；压电聚合物（最常见的是聚偏二氟乙烯（PVDF）基压电纳米发电机）的压电系数低于压电陶瓷，由于其良好的耐化学和物理性能、高柔韧性和生物相容性，聚偏二氟乙烯及其共聚物被广泛应用于生物医学、组织修复和植入式自供电设备等领域；压电复合材料压电纳米发电机由两种或两种以上的材料组成，它们互补性能并产生协同效应，复合材料的综合性能优于其单一成分，这使得它们能够满足广泛的要求。对于压电半导体和压电陶瓷，晶体结构和相组成可以通过掺杂或极化来修改，以增强压电系数；对于压电聚合物，可以采用各种特定的制备方法，如静电纺丝、流动诱导拉伸、模板辅助方法和模板辅助电合成等，以促进压电相和晶体取向的形成，这些方法能够在一维方向上适当控制晶体取向的纤维或阵列，在这个过程中，拉伸和极化同步进行，有利于提高压电性能和输出；对于压电复合材料，除了上述特定的制备方法外，还可以通过将压电陶瓷与压电聚合物结合，或通过添加导电 / 非导电填料来增加压电相的含量和结晶率，从而提高压电性能。
摩擦电纳米发电机（TENG）
摩擦电纳米发电机的主要原理是摩擦起电，这是一种常见的电现象，当两种具有不同电负性的不同材料接触时，由于它们对电子的吸引能力不同，会发生电子转移，从而在材料之间产生电位差，当它们分离时，电子在两个电极之间流动，从而平衡静电电位差，重新接触时，摩擦电荷产生的电位差被消除，导致电子向相反方向流动，材料的反复接触和分离产生交流脉冲信号，可用于电能的输出。摩擦电纳米发电机有四种工作模式：垂直接触分离模式、横向滑动模式、单电极模式和独立摩擦电层模式。
垂直接触分离模式中，两个具有不同电极性的摩擦层彼此相对堆叠，当施加外部压力时，摩擦表面接触，在摩擦层上产生等量且相反的电荷，随着外部压力逐渐减小，两个表面开始分离，中间形成一个小的气隙，这种分离在两个电极之间产生电位差，如果两个电极通过负载连接，则电子从一个电极通过负载流向另一个电极，从而产生反向电位差，用于平衡静电场并驱动电子流动，重新接触时，气隙关闭，感应电势消失，电子返回以实现电平衡，这种接触、分离和重新接触的循环过程可以产生交流信号，允许摩擦电纳米发电机持续输出电能，这种模式的摩擦电纳米发电机通常由外部机械冲击触发，具有瞬时输出功率高和多层集成的优点，适用于骨关节等压缩或接触区域以及药物释放。
横向滑动模式的结构配置与垂直接触分离模式类似，但有一个关键区别，在横向滑动模式中，两个摩擦层在水平方向上滑动，以实现水平方向的接触和分离，这种滑动动作导致摩擦层上产生电荷，导致它们在滑动方向上极化，感应电势随后驱动两个电极上的电子流动，从而平衡静电场并产生交流输出，滑动模式的优点是形式多样，包括平面滑动、圆柱形滑动或圆盘滑动，还提高了摩擦电纳米发电机的能量转换效率，在发电方面表现出更高的性能，此外，这种模式的摩擦电纳米发电机不再需要气隙来分离两个摩擦表面，这有利于装置的封装，适合作为植入式神经和心肌组织的修复装置。
单电极模式中，仅使用一个电极，电极的一端连接到外部电路（大导体或接地），另一端与摩擦电层接触和分离，以引起电容变化，在这种模式下，当摩擦层和电极表面接触时，它们之间会发生电荷转移，当摩擦层与电极分离时，摩擦层表面的负电荷会在电极表面感应出正电荷，然后驱动自由电子从地面到电极，导致电极和外部电路之间的电子交换，以实现电位平衡，产生电流，单电极模式提供了一种简化的结构，可用于不可行或不需要使用多个电极的情况，因为人体皮肤可以作为摩擦电材料，并且这种类型的摩擦电纳米发电机可以自由移动，无需导线连接到摩擦表面之一，因此适合用作皮肤修复的皮肤贴片。
独立摩擦电层模式是垂直接触分离模式和横向滑动模式的纳米发电机理论的综合，在这种模式下，摩擦层被设计为在两个电极之间往复运动，这种运动导致两个电极之间的电位差发生周期性变化，这些电位波动驱动通过外部负载产生交流电，以平衡变化的电位差，与单电极模式相比，独立摩擦电层模式充分利用了电极上产生的感应电势，提高了摩擦电纳米发电机的电位利用率和能量转换效率，这种类型的摩擦电纳米发电机不受屏蔽效应的影响，允许更高的输出性能，适用于具有周期性运动的身体外部区域。
一般来说，摩擦电纳米发电机中常见的摩擦层材料主要包括聚合物、金属、纤维等，几乎所有材料都表现出摩擦电效应，可用于制造摩擦电纳米发电机，因此，摩擦电纳米发电机的材料选择非常广泛，材料获得或失去电子的能力取决于其极性，1957 年，约翰?卡尔?威尔克发表了第一份静电电荷的摩擦电序列，根据摩擦电序列，序列底部的材料与序列顶部附近的材料接触时，将获得更多的负电荷，两种材料在序列中的距离越大，相应的电荷转移量就越大。除了从摩擦电序列中选择材料外，表面功能化可以修改表面电
