仿生生物电子系统通过调控葡萄糖代谢重编程促进骨缺损修复

为解决骨缺损修复中电刺激机制不明及传统关节运动驱动电信号效率低的问题，研究人员开发了基于心跳/呼吸驱动的自维持仿生生物电子系统（TP-hNG/GP-IFP）。该系统通过产生仿生电信号（Bio-SIG）诱导成骨细胞糖代谢从氧化磷酸化（OXPHOS）向有氧糖酵解转变，显著加速骨愈合。该研究发表于《Biomaterials》，为临床个性化治疗提供新策略。

　　

骨缺损修复一直是临床面临的重大挑战，传统治疗方法如自体骨移植存在供体有限和并发症风险。近年来，仿生生物电子学（Bionic bioelectronics）通过模拟天然骨组织的电生理微环境，为骨再生提供了新思路。然而，现有技术依赖关节运动驱动电信号，存在疼痛敏感性和信号不稳定的缺陷，且电刺激促进骨愈合的深层机制尚未阐明。

针对这一难题，中国的研究团队开发了一种革命性的自维持仿生生物电子系统。该系统巧妙利用大鼠心跳和呼吸运动的生物力学特性，通过摩擦电/压电混合纳米发电机（TP-hNG）与镀金聚合物内固定板（GP-IFP）的协同作用，产生与生理神经反馈信号高度相关的仿生电信号（Bio-SIG）。研究发现，Bio-SIG能打破成骨细胞的葡萄糖代谢稳态，使其从依赖氧化磷酸化（OXPHOS）转向有氧糖酵解（即Warburg效应），这一代谢重编程过程通过氧消耗率（OCR）和糖酵解质子外排率（glycoPER）分析得到验证。当使用2-脱氧-D-葡萄糖（2-DG）抑制糖酵解时，Bio-SIG的促成骨作用被显著削弱，证实了糖代谢重编程在骨再生中的关键作用。

关键技术包括：1）基于聚乳酸（PLLA）和聚己内酯（PCL）纳米纤维的TP-hNG制备；2）聚醚醚酮（PEEK）3D打印GP-IFP；3）多组学分析代谢通路；4）建立大鼠骨缺损模型验证疗效。

研究结果

1. 自维持生物电子系统表征：TP-hNG通过呼吸/心跳振幅触发，产生与生理节律同步的脉冲信号，GP-IFP在骨缺损区建立稳定电场。
2. 体内外促成骨效应：Bio-SIG使大鼠骨愈合速度提高2.1倍，MC3T3-E1细胞的碱性磷酸酶（ALP）活性提升3倍。
3. 代谢机制解析：转录组和代谢组分析显示，Bio-SIG上调HK2（己糖激酶2）和LDHA（乳酸脱氢酶A）等糖酵解关键酶，同时抑制线粒体复合物活性。

这项研究首次揭示仿生电刺激通过糖代谢重编程促进骨再生的分子机制，为开发智能响应型骨修复材料奠定基础。该系统无需外部电源，避免了传统电刺激的侵入性操作，尤其适用于运动受限患者。未来可进一步探索不同生理节律（如呼吸频率）对电信号参数的优化调控，推动个性化骨再生治疗的发展。