新型压电水凝胶：促进骨修复的创新材料

为解决大骨缺损愈合难题，研究人员制备 ZnO/RSF 压电水凝胶，可促进骨愈合，有重要意义。

　　目前，临床治疗骨缺损的材料已从传统的自体和异体骨移植发展到先进的第三代骨移植材料。近期研究表明，电刺激对组织再生，尤其是骨组织再生有显著作用。天然活骨中的胶原蛋白分子及其非中心对称结构赋予骨独特的压电性，使其在身体运动时产生电流，形成电微环境。电刺激可修复受损骨组织中被破坏的电微环境，激活与骨再生相关的多种信号通路，促进体外成骨细胞增殖和矿化。然而，目前的电刺激疗法需要二次手术移除装置，会对愈合组织造成损伤。

压电材料在受到外部应力时能自发产生电信号，在组织修复领域，如骨再生、神经修复和癌症治疗等方面展现出巨大的应用潜力。不过，压电聚合物存在不可降解（如 PVDF）和压电性能差（如 PLLA）等缺点。含铅压电陶瓷，像 PZT 和 BaTiO₃，因生物相容性差，应用也受到限制。由于兼具压电性和生物相容性，氧化锌（ZnO）在生物医学应用中受到广泛关注。ZnO 通常与聚合物材料，如聚乳酸（PLLA）和再生丝素蛋白（RSF）结合，以减轻其固有脆性，拓展生物医学应用潜力。

RSF 是一种电活性材料，具有结晶二态性，其丝 I 晶体为菱形，丝 II 晶体为单斜晶，两种晶型都缺乏对称中心，使 RSF 具有电活性。此外，RSF 常与 ZnO 等压电材料复合，以增强其压电性能。RSF 可激活成骨细胞中早期和晚期分化标志物的表达，其水解产物甘氨酸和丙氨酸可作为合成新蛋白质的原料，因此 RSF 常用于各种骨组织修复支架。

研究人员通过将 ZnO 纳米颗粒与 RSF 简单混合，制备出一种自供电的压电水凝胶。这种压电水凝胶具有可控且适宜的机械和压电性能，能产生电刺激促进骨组织愈合。将 ZnO 掺入 RSF 水凝胶中，不仅使机械性能提高 1.7 倍，压电输出增加 2.8 倍，还降低了降解速率。体外实验表明，压电水凝胶显著促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）的成骨分化，增强血管网络重构。体内实验验证了 ZnO/RSF 压电水凝胶的成骨和血管生成潜力。ZnO/RSF 压电水凝胶为基于 RSF 的材料通过身体运动产生电流提供了一种简单而通用的策略，为压电水凝胶的应用提供了新的思路。

制备 RSF 水溶液时，先将家蚕茧在 0.02M 的 Na₂CO₃溶液中 100°C 加热 30 分钟，脱胶两次，用超纯水洗涤三次，在 37°C 烘箱中干燥 3 天得到脱胶丝。再将脱胶丝溶解在 9.3M 的 LiBr 溶液中，60°C 加热 1 小时，过滤两次后置于透析管中。制备 ZnO/RSF 压电水凝胶时，利用添加辣根过氧化物酶（HRP）和 H₂O₂的通用策略，制备出均匀的乳光状水凝胶。通过透射电子显微镜（TEM）观察到 ZnO 的六方纤锌矿结构，扫描电子显微镜（SEM）观察到水凝胶呈现均匀的 3D 多孔网络结构。

本研究开发出具有理想机械性能和生物相容性的 ZnO/RSF 压电水凝胶。在 0.1MPa 压力下，0.4% 的 ZnO/RSF 压电水凝胶可产生约 80mV 的电压和 32nA 的电流输出。通过在生物力学应力作用下提供电刺激，该压电水凝胶有效促进了 SD 大鼠的成骨和血管生成，显著促进骨愈合，显示出其在骨缺损治疗方面的潜力。