内置电场通过Cav1.2/Piezo/Ca2+/PI3K信号通路加速纳米拓扑结构介导的血管化骨整合

这篇研究通过构建极化钛酸钡（BaTiO3）纳米棒阵列（NBTP），揭示了纳米拓扑结构与内置电场的协同作用机制：纳米形貌通过降低杨氏模量增强压电性能，激活Piezo2/Piezo1/Ca2+信号促进间充质干细胞（MSCs）成骨分化和内皮细胞（ECs）血管生成；电场进一步通过Cav1.2通道增强钙内流，协同激活PI3K/AKT/mTOR/GSK3β通路，并促进MSCs-ECs旁分泌互作，最终在体内外显著加速血管化骨整合。

　　

1 引言

随着人口老龄化加剧，骨科植入物需求激增，但快速稳定的血管化骨整合仍是临床挑战。传统研究多聚焦单一生物物理线索（如拓扑或电信号），而天然骨细胞外基质（ECM）同时具备纳米拓扑结构和压电胶原纤维的双重特性。本研究创新性地将钛酸钡（BaTiO₃）纳米棒阵列（NBT）与极化电场（NBTP）结合，构建仿生电-机械微环境，旨在解析拓扑与电信号的时空互作机制。

2 结果与讨论

2.1 极化钛酸钡纳米棒阵列的表征

扫描电镜（SEM）显示NBT表面呈现高度有序的纳米棒结构（500 nm高），X射线衍射（XRD）证实其钙钛矿晶体特征。纳米拓扑使NBT的杨氏模量（1.46 GPa）显著低于纯钛（80.25 GPa），接近天然骨（1-22.3 GPa）。压电力显微镜（PFM）证实NBT具有优异压电性，极化后表面电位达373 mV，远超非极化组。

2.2 内置电场增强机械应力介导的MSCs成骨

NBTP组MSCs呈现纺锤形形态，粘附面积增加2倍。阿尔新红染色显示其钙结节沉积量较纯钛提升4倍，成骨标志物（Runx2、OCN、Col1）表达显著上调。电场通过激活电压门控钙通道Cav_1.2，与纳米拓扑诱导的Piezo2协同增加钙内流，荧光探针检测显示NBTP组细胞内Ca²⁺浓度最高。

2.3 电-机械耦合激活PI3K/AKT通路

微阵列分析发现NBTP组631个差异基因，GO富集显示"骨矿化""血管发育"相关通路激活。Western blot证实p-PI3K/PI3K和p-AKT/AKT比值显著升高，阻断实验表明钙通道抑制剂（尼非地平）可使PI3KCA表达回落至基线，证实Ca²⁺-PI3K/AKT/mTOR/GSK3β轴是关键调控机制。

2.4 电场促进HUVECs血管生成

NBTP培养的HUVECs形成复杂血管网络，节点数增加3倍。免疫荧光显示Piezo1表达上调，转录因子YAP核转位增强。ELISA检测到VEGF、bFGF分泌量翻倍，旁分泌实验证明MSCs条件培养基使HUVECs管形成能力提升50%。

2.5 体内验证

鸡胚绒毛尿囊膜（CAM）实验显示NBTP组血管分支密度提高200%。大鼠股骨植入4周后，组织学显示NBTP组骨-植入体接触率（BIC%）达75%，免疫组化可见CD31⁺新生血管与OPN⁺成骨细胞共定位，证实血管-成骨耦合效应。

3 结论

该研究阐明纳米拓扑主导血管化骨整合，而内置电场通过Cav_1.2/Piezo-Ca²⁺-PI3K信号级联加速该过程。这种电-机械协同策略为糖尿病骨缺损等血管化障碍疾病提供了新型植入体设计思路。