铂修饰氧化石墨炔通过压电催化与氧化应激调控协同促进颅骨再生

针对骨缺损修复中活性氧（ROS）过度产生和缺氧微环境阻碍电刺激疗效的难题，研究人员开发了铂修饰氧化石墨炔（GDYO@Pt）多功能压电半导体材料。该材料在超声激活下通过肖特基工程增强压电效应，同时催化产生H2中和·OH自由基，并通过空穴/纳米酶驱动H2O2→O2转化，实现ROS清除与缺氧缓解的协同治疗，显著加速颅骨缺损修复。

　　

在骨组织工程领域，压电刺激通过将机械应力转化为电能，为骨修复提供了非侵入性治疗策略。然而，骨缺损微环境中过度产生的活性氧（ROS）和缺氧条件会显著降低电刺激疗效，阻碍再生进程。传统压电材料如BaTiO₃、ZnO等虽然具有良好压电响应，但其宽带隙（>2.0 eV）特性导致压电位产生过程中伴随载流子 redox 反应，反而产生ROS造成氧化损伤。这种矛盾现象促使研究人员寻求既能提供高效电刺激又能同步调控氧化应激的新型窄带隙压电材料。

针对这一挑战，北京航空航天大学与吉林大学联合研究团队在《Nature Communications》发表了创新性研究成果。他们通过肖特基工程构建了铂修饰氧化石墨炔（GDYO@Pt）多功能压电半导体，实现了压电刺激与氧化应激调控的双重功能协同。该材料在超声激活下不仅产生适宜的电刺激（499 mV/mm，99.8 mV，0.83 MHz），覆盖骨组织内源性电场（40-500 mV/mm）的有效治疗窗口，还能通过催化产氢（H₂）和产氧（O₂）同步清除ROS和缓解缺氧，为骨再生创造理想的微环境。

研究人员采用的主要技术方法包括：通过改进Hummer法合成GDYO纳米片，原位还原K₂PtCl₄制备GDYO@Pt异质结；利用PFM、KPFM和COMSOL模拟分析压电性能；通过ESR、GC和UV-vis检测催化活性；构建小鼠颅骨缺损模型（3mm直径）进行体内评估；采用micro-CT、组织染色和免疫组化分析修复效果。

材料制备与表征

研究团队首先通过交叉偶联反应在铜表面合成石墨炔（GDY），随后采用改进Hummer法使用H₂O₂/H₂SO₄作为氧化剂制备GDYO纳米片。通过原位还原K₂PtCl₄成功构建了GDYO@Pt异质结，TEM和AFM显示纳米片横向尺寸约500 nm，厚度分别为3 nm（GDYO）和7 nm（GDYO@Pt）。

XPS分析证实电子从GDYO向Pt转移，Raman光谱在1950和2159 cm^-1处的特征峰表明C≡C键得以保留。将材料装载到温敏水凝胶（18% P407/0.7% TA）中，形成具有剪切稀化、自愈合特性的可注射体系，相变温度26.3°C，确保室温液态储存和体内快速凝胶化。

压电响应特性

PFM测试显示GDYO@Pt具有增强的压电响应，在±6 V或±10 V扫描电压下呈现典型的蝴蝶形振幅回线和180°相位切换行为。

定量分析表明Pt修饰使GDYO压电响应显著增强。KPFM显示GDYO@Pt表面电位振幅增加，归因于压电诱导的电极化效应。COMSOL模拟显示在0-10⁸ Pa循环载荷下，GDYO@Pt在T3时刻产生最大应变0.0291%，压电电位达到9V，显著高于GDYO的0.00417%和5V。超声辐照（0.1-0.7 W/cm²）下GDYO@Pt产生平均电场强度499 mV/mm，比GDYO（152 mV/mm）提高228%。

压电催化机制

DFT计算和有限元分析揭示了增强压电效应的机制。差分电荷密度图显示Pt纳米粒子与GDYO之间存在明显的面外电荷转移行为，表明通过Pt与GDYO紧密键合过程中的电子离域形成了强界面电场。

沿a轴和b轴，GDYO@Pt的晶胞偶极矩分别增加到82.03和-176.59 Debye（D），比GDYO（57.67和-132.24 D）提高1.4倍。Mott-Schottky分析证实GDYO和GDYO@Pt具有n型半导体特性，平带电位分别为-0.83 V和-1.03 V（vs. Ag/AgCl, pH 7）。超声激活的GDYO@Pt的E_fb和CB电位分别为-0.85 V和-0.24 V（vs. NHE, pH 0），比静态条件下更正，表明压电效应诱导能带向下弯曲并降低肖特基势垒高度（SBH），促进电子从GDYO向Pt迁移。

体外生物学效应

CCK-8检测表明GDYO和GDYO@Pt在500μg/mL浓度下对BMSCs无毒性。在氧化应激损伤模型（0.2 mM H₂O₂）中，超声激活的GDYO@Pt（0.7 W/cm²，10分钟）显著促进BMSCs增殖。膜电位探针Di-8-ANEPPS和钙离子探针Fluo-4检测显示，GDYO@Pt+US组引起更强的膜电位变化和Ca²⁺荧光信号强度，表明压电电场有效诱导细胞内Ca²⁺富集。

GC和MB探针分析证实GDYO@Pt+US组具有最高的H₂产率，缺氧探针Ru(dpp)₃Cl₂和ROS探针DCFH-DA显示该组缺氧缓解能力和ROS清除能力最强。

成骨分化促进

ALP染色（7天）和ARS染色（14天）显示GDYO@Pt+US组具有最高的ALP染色面积和活性，以及最多的矿化结节。

RT-qPCR分析显示GDYO@Pt+US组 osteogenic基因（ALP、OCN、OPN、COL-1、RUNX-2）表达显著高于其他组，表明压电刺激与氧化应激下调的协同效应增强了成骨分化能力。

体内骨再生评估

小鼠颅骨缺损模型显示，GDYO@Pt凝胶+US组在6和12周时骨再生程度最高。

micro-CT分析显示12周时新骨面积比达到75.37%，BV/TV比率69.00%，BMD为0.658 g/cm³。组织学分析显示GDYO@Pt凝胶+US组具有连续、组织良好的新骨结构伴丰富血管化，Masson染色显示缺损区内成熟的类骨质沉积。IHC染色显示OCN、RUNX-2和CD31（血管生成标记）表达最强。IF染色显示M2型（CD206）巨噬细胞比例显著增加，表明抗炎微环境形成。

氧化应激水平评估

DHE荧光探针显示GDYO@Pt凝胶+US组红色荧光显著减弱，表明ROS清除能力优异。

HIF-1α免疫荧光分析显示该组HIF-1α表达显著降低，表明O₂分压升高缓解了组织缺氧。NRF2免疫组化染色显示新骨组织中NRF2阳性细胞比例最高，表明多维抗氧化策略不仅降低局部ROS水平，还通过NRF2通路增强内源性抗氧化防御。

该研究通过肖特基工程成功构建了GDYO@Pt压电催化系统，实现了压电刺激与氧化应激调控的协同治疗。与传统压电陶瓷仅产生压电位不同，GDYO@Pt不仅能产生适宜的电刺激，还能通过催化反应驱动局部 redox 过程，精确调控骨缺损微环境。超声激活的GDYO@Pt通过增强压电效应促进BMSCs膜电位去极化和Ca²⁺内流，同时通过产H₂中和·OH自由基，产O₂缓解缺氧，协同下调氧化应激水平，最终通过成骨分化、血管生成和免疫调节多途径加速骨再生。这种压电-催化双功能平台将能量转换与生物调控有机结合，为骨缺损修复和其他再生医学应用提供了新策略。