机械驱动极化的无线生物自适应压电心脏补片：心肌梗死修复新策略

《Cell Biomaterials》：Mechanically driven polarization for wireless and bioadaptive piezoelectric cardiac patches

本刊推荐：针对心肌梗死(MI)后心肌修复难题，研究人员开发了一种基于聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)的可生物降解自供电压电心脏补片。该补片通过机械驱动α→β相转变增强压电性能，可将心跳机械能转化为同步电刺激，显著改善大鼠MI模型的心功能(射血分数EF提升)，促进血管生成(CD31/α-SMA阳性微血管密度增加)和神经再生(NF阳性神经纤维)。这项研究为无线、能量自主的心脏修复提供了新策略。

　　

当心肌梗死发生时，部分心肌细胞因缺血缺氧而坏死，被无功能的纤维化瘢痕组织取代，导致心脏泵血功能下降。虽然工程化的心脏补片能够提供机械支撑，但它们缺乏同步电刺激能力，限制了功能恢复。现有的电刺激设备依赖有毒电池和不可降解材料，可能引发慢性炎症甚至致癌风险，且需要二次手术取出。这些问题严重制约了心肌梗死治疗的效果和安全性。

在这一背景下，研究人员将目光投向了压电材料——这种特殊材料能够将机械能转化为电能。想象一下，如果有一种补片能利用心脏自身的跳动来发电，无需外部电源就能对受损心肌进行同步电刺激，那将多么理想！然而，常用的压电材料如聚偏氟乙烯(PVDF)、氧化锌(ZnO)等均不可生物降解，长期植入存在安全隐患。

针对这一挑战，来自华中科技大学和中国香港中文大学的研究团队在《Cell Biomaterials》上发表了一项创新研究。他们选择了一种名为聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)的生物可降解聚合物，这种材料由微生物天然合成，具有良好的生物相容性。但纯PHBV的压电性能较弱，难以有效调控心肌修复。

研究团队提出了一种巧妙的解决方案：通过机械驱动极化策略增强PHBV的压电性能。他们在静电纺丝过程中，通过调控收集器转速(从300rpm到3,000rpm)来诱导PHBV发生α→β相转变。这种相变显著提升了材料的压电响应，同时形成了高度排列的纳米纤维结构。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过调控静电纺丝参数制备不同取向度的PHBV纳米纤维膜；利用小角/广角X射线散射(SAXS/WAXS)分析材料结构演变；采用压电力显微镜(PFM)表征纳米尺度压电性能；通过体外心肌细胞培养评估补片的生物学效应；建立大鼠心肌梗死模型进行体内功能验证(动物实验经湖北省疾病预防控制中心IACUC批准)。

形态与结构特性

随着收集器转速从300rpm增至3,000rpm，PHBV纳米纤维的排列有序度显著提高。SAXS和WAXS分析显示，PHBV_3,000出现了明显的β相衍射峰，长周期间距约为20nm，表明成功诱导了α→β相转变。这种结构变化是增强压电性能的关键。

理化性质表征

PHBV_3,000表现出最优的压电性能：在10N脉冲力下产生2.7V输出电压和18nA电流，显著高于低转速样品。PFM相图显示其具有单域状结构，切换谱证实了铁电特性。力学测试表明，沿纤维方向的拉伸强度达到37.65kPa，比垂直方向高15倍，展现出显著各向异性。同时，材料具有良好的柔韧性和生物降解性，在脂酶溶液中20天内可均匀降解。

心肌细胞调控

与随机排列的PHBV₃₀₀相比，培养在PHBV_3,000上的心肌细胞表现出更规则的肌节结构和更高的连接蛋白43(CX43)表达。钙瞬变成像显示，PHBV_3,000组心肌细胞的钙信号更频繁、同步，表明兴奋-收缩耦联改善。RNA测序分析发现，PHBV_3,000上调了172个基因，主要富集在心肌收缩、钙信号、血管生成等通路，从分子层面解释了其促进心肌修复的机制。

生物相容性评价

体外实验显示PHBV材料无细胞毒性，溶血率低于5%。大鼠皮下植入1个月后，血清生化指标和主要器官病理切片均未见异常，炎症因子(IL-1β、iNOS、TNF-α)表达与假手术组无显著差异，证明其具有良好的生物相容性。

心脏功能修复效果

在大鼠心肌梗死模型中，PHBV_3,000补片植入4周后，Masson染色显示梗死面积显著减小，左室前壁厚度保持更好。超声心动图检测到PHBV_3,000组射血分数(EF)和短轴缩短率(FS)显著改善，左室收缩末内径(LVIDs)和舒张末内径(LVIDd)有效控制，表明心室重构得到抑制。

再生重塑机制

免疫荧光染色证实，PHBV_3,000治疗组心肌肌钙蛋白T(cTnT)信号强度更高，心肌细胞覆盖更完整。小麦胚芽凝集素(WGA)染色显示心肌细胞横截面积更小，提示病理性肥大得到缓解。同时，CD31/α-SMA双标显示微血管密度增加，神经丝蛋白(NF)染色显示神经纤维再生，表明补片促进了血管化和神经再支配。

这项研究成功开发了一种全生物可降解的自供电压电心脏补片，通过机械驱动极化策略实现了材料压电性能的显著提升。该补片能够将心脏搏动的机械能转化为同步电刺激，无需外部电源即可促进心肌细胞成熟、血管生成和神经再生。在大鼠心肌梗死模型中展现出显著的心功能改善效果，为无线、能量自主的心脏修复提供了新范式。

与传统不可降解压电材料相比，PHBV补片避免了二次手术取出风险；与需要摩擦界面的摩擦电器件相比，提供了更稳定的电刺激来源；与水凝胶补片相比，兼具生物活性和自主电刺激能力。这种将生物可降解性、机电功能性和生物适应性融于一体的策略，为下一代生物电子疗法开辟了新途径，不仅适用于心肌修复，还有望推广至其他需要电刺激的组织再生领域。