《Nano Energy》：Sustainable cellulose nanofibrils as ultrasound-driven piezoelectric interfaces for wireless neuromodulation
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磷酸化改善纤维素纳米纤丝（cellulose nanofibrils, CNF）的表面电荷与分散性，使其能与细胞形成紧密界面，同时保留结晶度与本征压电性。超声刺激诱导出强度依赖的电学输出，证实有效的机电耦合。磷酸化纤维素纳米纤丝（phosphorylated
磷酸化改善纤维素纳米纤丝（cellulose nanofibrils, CNF）的表面电荷与分散性，使其能与细胞形成紧密界面，同时保留结晶度与本征压电性。超声刺激诱导出强度依赖的电学输出，证实有效的机电耦合。磷酸化纤维素纳米纤丝（phosphorylated cellulose nanofibrils, pCNF）-细胞界面增强神经元响应，包括神经元模型中的活性氧（reactive oxygen species, ROS）生成与钙瞬变。通过药理抑制识别多模态机制，涉及机械敏感通道、电压门控活动、内质网相关Ca2?释放及氧化还原信号。pCNF的可再生性与力学柔顺性使其适用于可持续纳米生物电子界面及超声响应支架，用于神经再生。
研究背景与立项依据
神经组织再生能力有限，外周与中枢神经系统损伤常导致永久性功能缺陷，传统移植与干细胞疗法受限于移植物存活率低、免疫应答及功能整合不足。物理信号（机械、拓扑、电学）在神经再生中至关重要，但现有神经刺激技术多依赖有线电极，存在与软组织力学失配、感染及异体反应导致纤维化包囊与器件失效等问题。无线刺激策略中，超声（ultrasound, US）兼具深穿透与毫米级空间控制及临床安全性，将超声与压电智能材料结合可在细胞-材料界面局部转化为生物电信号，避免植入导线。传统压电陶瓷（如PZT、BaTiO?）存在生物相容性与铅毒性隐患，而全有机、可再生的纤维素纳米纤丝（CNF）因纤维素Iβ型非中心对称排列具有本征压电性，经磷酸化（phosphorylation）可进一步提升表面电荷、分散性及细胞界面耦合，因此研究人员开展本研究以验证磷酸化CNF（pCNF）作为可持续超声驱动压电界面用于无线神经调控的可行性。该论文发表于《Nano Energy》。
主要关键技术方法
研究人员采用尿素介导磷酸化结合高压均质制备pCNF；通过ζ电位、动态光散射（DLS）、透射电镜（TEM）、能谱（EDS）、X射线衍射（XRD）表征形貌与结晶度；用压电力显微镜（PFM）在纳米尺度探测垂直/横向压电相位，并将压缩膜组装为三明治电极压电纳米发电机（piezoelectric nanogenerator, PENG）测超声下宏观电压输出；以SH-SY5Y神经母细胞瘤与出生后小鼠背根神经节（dorsal root ganglion, DRG）原代神经元为细胞模型（DRG由C57BL/6JRj小鼠分离），借助共聚焦评估细胞-材料界面，DCFH-DA测ROS，Fluo-4 AM钙成像结合商业WED-100与定制1 MHz换能器进行超声刺激，并以GsMTx4、河豚毒素（tetrodotoxin, TTX）、ryanodine、2-APB、N-乙酰半胱氨酸（N-acetylcysteine, NAC）及无钙外液做药理抑制解析机制。
研究结果
2.1 pCNF形态、压电响应与降解
pCNF ζ电位约?36.6 mV（高于CNF的?25.8 mV），等电点约pH 1.84，水合直径636 nm，TEM显示均匀纤丝（平均直径7.36 nm），EDS与钼蓝法确认磷掺入（1.29 mmol g?1）。XRD保留纤维素I晶格（2θ≈22°对应(200)面）。PFM垂直/横向相位图沿取向纤丝呈正负交替，证实各向异性机电耦合；PENG在1 MHz超声下输出随声压（95–350 kPa）增大而升高，与本征压电性一致。HEPES、完全培养基、溶菌酶及柠檬酸缓冲液中14天不溶质量无显著损失，仅纤维素酶处理降解，表明磷酸化不改哺乳动物环境下短期稳定性及纤维素酶敏感性。
2.2 细胞-材料界面与生物相容性
SH-SY5Y与pCNF孵育1–24 h共聚焦显示纤丝在细胞表面富集，正交Z栈证实紧密接触。0–300 μg mL?1浓度24 h代谢活性无下降；0.1 W cm?2超声10 min后LDH释放低，7天每日两次刺激Live/Dead染色存活率与各对照组相当，证明急性与重复超声下均具细胞相容性。
2.3 超声触发的胞内信号
DCFH-DA实验显示：分散pCNF+0.1 W cm?2超声10 min使ROS荧光较单超声增35%（1124 vs 847 a.u.）；细胞长在压制pCNF膜上+0.3 W cm?2超声ROS达1981 a.u.（单超声1367 a.u.），但高强组代谢活性降约16%，说明 redox 信号参与且较强急性响应伴轻微应激。
2.4 pCNF放大超声诱导神经元激活
定制1 MHz换能器（峰压~350 kPa）在SH-SY5Y中2 s刺激显示钙响应随0.1→0.5 W cm?2增强，选0.5 W cm?2用于原代DRG。DRG中单超声仅微弱Ca2?瞬变，加pCNF后峰值ΔF/F?约增4倍、应答细胞比例显著提升，部分细胞见延迟钙瞬变；SH-SY5Y中pCNF同样倍增应答比例；非压电PCL纤维碎片无此效应。药理实验：GsMTx4不显著降应答分数（仅延缓 onset），TTX强烈抑制应答与传播，无外钙液下应答仍存，ryanodine抑制不显著，2-APB几乎完全抑制，NAC显著削弱响应。结论为pCNF经压电换能将机械应变转局部电场，激活电压门控钠通道依赖的兴奋性，并调动内质网（endoplasmic reticulum, ER）相关IP?R敏感Ca2?释放与ROS redox 调制，形成多模态神经激活。
讨论与结论翻译
讨论指出，pCNF跨尺度保留纤维素I晶格与PFM压电相位，宏观PENG输出证实机电转导；磷酸化不创造而仅保留CNF本征压电性，其优势在表面电荷、单纤化与分散及紧密细胞界面。pCNF在非纤维素酶生理条件稳定、可被纤维素酶降解除外源触发。生物学上ROS与DRG钙瞬变放大支持无线神经调制；机制上TTX敏感电压兴奋性、2-APB敏感ER Ca2?、NAC敏感 redox 三者共存，GsMTx4非必需。该平台为全有机可再生压电界面，未来可借剪切/场辅助对齐构建3D超声响应支架。
结论部分翻译：综上，本研究证明磷酸化纤维素纳米纤丝可作为可持续压电界面，将超声刺激转换为胞内信号与功能性神经元激活。药理实验进一步支持电压依赖性膜兴奋、ER相关胞内Ca2?信号及 redox 敏感过程之贡献。通过将可再生材料与无线生物电子刺激结合，pCNF为传统压电陶瓷提供可再生、全有机且细胞相容的替代方案，为超声响应神经调控平台与具精确按需控制神经活性的动态再生支架奠定基础。
