综述：神经细胞的压电刺激：探索混合支架在促进再生方面的协同潜力

中枢神经系统损伤后再生能力有限，而周围神经系统具有自愈能力。本文系统综述了基于压电材料的混合支架在神经再生中的应用，重点分析了材料特性（如机械刚度、电响应性、生物相容性）对神经干/祖细胞增殖、分化和轴突再生的影响。通过整合压电陶瓷（如BaTiO3、KNN）与高分子（PVDF、PLLA）及天然材料（胶原、纤维素），构建的混合支架可协同增强钙离子信号传导、抑制炎症反应并促进定向神经再生。研究提出标准化分析方法框架，涵盖体外细胞实验（增殖/分化标记物、钙成像）与体内模型（功能恢复评估、组织再生定量），为临床转化提供理论支撑。

　　
本文系统综述了压电材料在神经再生中的应用进展，重点探讨了混合型压电 scaffolds的设计原理与临床转化潜力。研究显示，脊髓损伤后神经再生面临多重挑战：首先，中枢神经系统（CNS）相较于周围神经系统（PNS）存在显著的结构性差异，包括更低的细胞增殖能力、更强的炎症反应和物理屏障（如胶质瘢痕形成）。其次，现有治疗手段如手术干预、激素治疗和细胞移植仅能部分缓解症状，无法实现神经功能的完全恢复。

在材料科学领域，压电材料因其独特的机电耦合特性成为研究热点。这类材料可将机械形变转化为电信号，激活细胞内钙离子通道（如电压门控钙通道），进而触发Ras-MAPK和PI3K-AKT信号通路，促进神经元增殖、轴突再生及髓鞘形成。值得注意的是，材料需同时满足机械适配性（弹性模量与神经组织匹配）、生物相容性（低毒性、高降解性）和电学响应性（合适的压电系数）三重标准。

当前研究主要聚焦于三类压电材料的开发：
1. **压电陶瓷**（如PZT、BaTiO3）：具有高强度（弹性模量可达230 GPa）和高压电系数（d33达593 pC/N），但存在铅毒性问题。新型无铅材料如KNN（压电系数125 pC/N）和BT（d33约267 pC/N）通过掺杂改性（如添加Sb5+、Bi3+）可提升性能，但需解决脆性高（断裂韧性仅2-3 MPa）的工程难题。
2. **合成聚合物**（如PVDF-TrFE、PLLA）：生物相容性优异且可降解，但天然压电性较弱（d33仅24-34 pC/N）。通过纳米复合技术（如掺入ZnO纳米颗粒）可将压电系数提升至50 pC/N，同时改善力学性能（弹性模量降至20-30 MPa）。
3. **天然生物聚合物**（如胶原蛋白、纤维素）：具备优异生物相容性和降解性，但压电响应有限（d33<100 pC/N）。与陶瓷或聚合物复合后（如BTNP/PVDF-TrFE），可通过界面电荷转移机制提升整体压电性能达4倍以上。

混合型 scaffolds展现出显著协同效应。例如：
- **机械-电化学协同**：KNN@PDA复合材料的弹性模量（1 MPa）与神经组织更接近，表面粗糙度（30 nm）促进神经干细胞粘附，同时其压电系数（11 pC/N）可产生10-15 V/cm的电场梯度，激活钙信号传导。
- **三维结构调控**：采用静电纺丝技术制备的PVDF-TrFE纤维（直径500 nm）在 rats sciatic神经缺损模型中，通过超声波激活（1 MHz）使神经再生长度增加40%，轴突密度提升2.3倍。
- **动态响应优化**：智能型混合材料（如ZnO/PCL纳米复合支架）在机械载荷（应变率>1000/s）下可产生10-20 μm的位移响应，这种动态形变与神经细胞机械感知特性（最佳应变范围30-60%）高度匹配。

标准化分析框架的建立是突破当前瓶颈的关键。建议采用三级评估体系：
1. **细胞层面**：通过MTT/活死染色评估细胞存活率（>85%为优），钙成像检测Ca2+内流强度（ΔF/F值>0.5为有效刺激），免疫荧光（Tuj1+神经元占比>70%）验证定向分化能力。
2. **组织层面**：H&E染色显示炎症细胞（CD68+巨噬细胞）减少>50%，MBP+髓鞘面积占比>30%，GAP43+轴突长度>100 μm。
3. **功能层面**：Basso-Beattie-Bresnahan（BBB）评分提高2个等级，神经功能指数（NFIs）提升>40%，运动功能恢复时间缩短至8-12周。

未来研究方向应着重解决三大核心问题：如何通过材料基因工程精确调控压电系数（d33>100 pC/N）与弹性模量（0.1-5 MPa）；如何构建动态响应型 scaffolds以适应神经组织非线性形变（应变可调范围±20%）；以及如何建立跨尺度评价体系（从原子级表征到宏观性能测试）。特别是需解决当前研究中的主要矛盾——高强度压电陶瓷（BT弹性模量118 GPa）与神经组织低刚度（脊髓1.19 MPa）之间的力学失配问题，这可通过梯度复合结构设计（表层5-10 μm厚BT纳米层+内层PLA基体）实现应力传递效率>85%。

值得关注的是，新型MXene/胶原蛋白复合支架在动物实验中展现出独特优势：其导电网络（电导率>10^6 S/m）与神经组织传导特性（10^-2 S/cm）匹配度达90%，同时降解产物（谷氨酰胺、天冬酰胺）可激活神经再生相关miRNA（如miR-124a），促进 oligodendrocyte前体细胞分化。这种生物电化学协同效应为神经再生提供了全新策略。