综述：开放获取与治疗进展中的骨再生与电刺激

这篇综述深入探讨了电刺激(ES)在骨再生中的关键作用，系统分析了其通过电压门控钙通道(VGCCs)调控成骨分化、血管生成的分子机制，并比较了直流电(DCES)、电容耦合(CC)和脉冲电磁场(PEMF)等不同刺激方式的临床转化潜力。文章创新性地提出将电刺激与生物材料、干细胞(BMMSCs)和生长因子(BMP-2/VEGF)联用的协同策略，为解决大段骨缺损、骨不连等临床难题提供了跨学科解决方案。

　　

骨再生的生物学机制

骨再生是涉及成骨细胞、破骨细胞和间充质干细胞(MSCs)协同作用的复杂过程。这一过程分为炎症期、修复期和重塑期三个阶段，由VEGF、BMPs和TGF-β等生长因子精密调控。值得注意的是，骨组织具有独特的压电特性——胶原-羟基磷灰石(HA)基质在机械应力下会产生生物电信号，这种内源性电活动通过激活电压门控钙通道(VGCCs)调控钙离子(Ca²⁺)内流，进而影响Runx2、Osterix等关键转录因子的表达。

电刺激的作用机制

电刺激通过多种途径促进骨再生：L型VGCCs(Cav1.x)激活BMP和Wnt/β-catenin通路增强成骨分化；T型VGCCs(Cav3.x)参与破骨细胞融合过程；而P/Q型(Cav2.1)则调节细胞外基质沉积。压电材料如聚偏氟乙烯(PVDF)在动态负载下可产生20 pC/N的压电系数，模拟天然骨的机电微环境。实验证明，电刺激可使成骨细胞碱性磷酸酶(ALP)活性提升82%，并显著增加骨钙素(OCN)的表达。

电刺激技术分类

直流电刺激(DCES)：通过植入式电极(如钛阴极)施加20μA电流，在犬类胫骨截骨模型中使愈合率提高94%。但存在感染风险(发生率约7.3%)和二次手术问题。

电容耦合(CC)：采用外部电极产生60Hz交变电场，可使大鼠骨质疏松模型的骨密度提升23.6%。但组织穿透深度受限(约3cm)。

脉冲电磁场(PEMF)：FDA批准用于脊柱融合，7.5Hz磁场刺激使人间充质干细胞的增殖率提高62%。临床数据显示其治疗股骨颈骨折的愈合率达94%，较对照组提高25个百分点。

协同治疗策略

3D打印导电支架：聚吡咯(PPy)/聚乳酸(PLLA)复合材料(电导率0.094 S/cm)与BaTiO₃纳米颗粒联用，在动态负载下使细胞粘附率提升40%。

干细胞联合治疗：骨髓间充质干细胞(BMMSCs)与BMP-2共同负载于β-磷酸三钙(β-TCP)支架时，电刺激可使骨形成蛋白表达量增加3.2倍。

生长因子控释：将VEGF封装于聚己内酯(PCL)微球中，在电刺激下呈现突释-缓释双相释放模式，血管密度提高178%。

临床转化挑战

大型动物模型显示，绵羊胫骨缺损模型中非侵入式电刺激的电场强度衰减达72%，而植入式DCES可使骨痂成熟度评分提高4.3倍(P<0.0043)。当前PEMF设备存在参数标准化难题——临床使用的频率范围从1Hz到75Hz不等，脉冲宽度差异达300μs至5ms。智能支架系统如可注射电极(Injectrode)有望解决深部骨组织的刺激递送问题。

未来展望

人工智能辅助的个性化电刺激方案正在开发中，通过机器学习分析患者CT数据可预测最佳刺激参数(准确率达89.7%)。自供电植入物如摩擦纳米发电机(TENG)已实现在体发电(输出12.7V)，为长期刺激提供可能。值得注意的是，可降解聚羟基丁酸酯(PHB)/BaTiO₃复合材料在兔桡骨缺损模型中展现出同步降解-成骨特性，8周时新生骨体积较对照组增加2.1倍。