3D 打印形状记忆压电支架：原位自供电修复骨缺损的创新之选

《Journal of Nanobiotechnology》：3D printed shape-memory piezoelectric scaffolds with in-situ self-power properties for bone defect repair

为解决骨修复中体内原位电刺激难题，研究人员开发 3D 打印 SMPU 和 PVDF 复合支架，证实其可调节免疫、促进成骨，有望用于骨组织工程。

　　

骨修复新探索：3D 打印压电支架的奇妙之旅

在人体的骨骼世界里，一旦出现骨缺损，修复过程就如同一场精密的战役。骨修复并非一蹴而就，早期的免疫微环境调控和后期的骨生成（osteogenesis）至关重要。研究发现，电信号是这场战役中的 “秘密武器”，它能有效调节免疫，还能推动骨生成。然而，在现实的医疗战场上，实现体内原位电刺激却困难重重。传统的植入式电极虽然能进行原位电刺激，但需要外部电源，这就像给患者身上绑了一堆复杂的电线，不仅麻烦，还增加了治疗的复杂性。而且，现有的压电材料在应用时，机械力的来源是个大问题，很多研究依赖外部设备提供机械刺激，无法真正实现原位电刺激。另外，大多数相关电子设备结构复杂，不利于微创植入，在骨缺损修复方面的应用也十分有限。因此，开发能实现骨修复过程中免疫微环境和骨生成时序调控的微创植入式自供电骨组织工程支架，成了医学领域亟待攻克的难题。

为了解决这些问题，东华大学的研究人员踏上了探索之旅。他们开展了一项关于 3D 打印形状记忆压电支架的研究，致力于开发出一种具有原位自供电特性的复合支架，为骨缺损修复带来新的希望。最终，他们成功制备出由形状记忆聚氨酯弹性体（SMPU）和聚偏氟乙烯（PVDF）压电纳米纤维组成的复合支架，并证实该支架在骨修复方面表现出色。这项研究成果发表在《Journal of Nanobiotechnology》上，为骨组织工程领域带来了新的曙光。

在这场研究之旅中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是 3D 打印技术，它就像一个神奇的 “骨骼打印机”，能够精确构建出具有定制三维结构的 SMPU 支架。另一个重要技术是静电纺丝技术，通过它制备出 PVDF 纳米纤维，这些纳米纤维具有独特的压电性能。研究人员还使用了多种材料表征技术，如扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等，来深入了解材料的微观结构和性能。同时，通过细胞实验和动物研究，评估支架的生物相容性、免疫调节和骨修复能力。

下面来看看研究人员的精彩发现：

• PVDF 纳米纤维的特性：研究人员利用静电纺丝技术制备了两种 PVDF 纳米纤维，即取向排列的 A-PVDF 和随机排列的 R-PVDF。SEM 图像显示，A-PVDF 纤维排列高度有序，R-PVDF 则较为随机，且 A-PVDF 的平均纤维直径为 430±7nm，R-PVDF 为 470±5nm。XRD 和 FT-IR 分析表明，A-PVDF 的 β 相含量更高，经过 120℃退火处理后，其 β 相含量进一步提高，压电系数 d₃₃也显著增加。在多种测试中，A-PVDF 都展现出比 R-PVDF 更优异的压电性能，在机械力和超声刺激下能产生更高的表面静电压，在连续机械力刺激下输出电压也更高。
• SMPU 的性能：SMPU 作为复合支架的形状记忆组件，有着重要作用。研究人员通过优化配方和实验条件，成功合成 SMPU。FT-IR 分析证实了其成功制备，其中 P-CL 作为软段提供柔韧性，HDI 作为硬段赋予硬度和耐磨性，蓖麻油起到增塑和增韧的效果。DSC 测试表明，PCL 与蓖麻油摩尔比会影响 SMPU 的熔融温度（Tm），为了满足生理条件下的形状恢复需求，研究人员选择了 Tm 低于 37℃且机械性能优异的 SMPU（1:1.2）。这种 SMPU 具有较高的拉伸模量、最大拉伸应变和工作输出，在 7 天内的降解率可达 9.8%，适合用于骨缺损修复。
• PVDF-SMPU 复合支架的性能：研究人员将 PVDF 纳米纤维与 SMPU 支架结合，制备出 PVDF-SMPU 复合支架。该支架具有三维多孔结构，压缩模量为 2.4±0.4MPa，形状固定率（Sf）和形状恢复率（Sr）均超过 98%，在体内外都展现出良好的形状记忆性能，能在生理温度下恢复原状，紧密贴合骨缺损部位。同时，其表面亲水性良好，水接触角适宜细胞黏附和增殖。多种实验表明，该复合支架生物相容性极佳，能促进细胞增殖和迁移，对骨髓间充质干细胞（BMSCs）的形态、黏附和增殖无不良影响。
• 复合支架的免疫调节和促骨生成作用：在体外实验中，复合支架经形状记忆过程后能产生表面静电压，刺激 PVDF 产生电荷，促进巨噬细胞向 M2 表型极化，调节免疫微环境。RAW264.7 细胞实验表明，经过形状记忆过程的复合支架（AF-SP 和 RF-SP）能显著提高 M2 表型相关基因的表达，降低 M1 表型相关基因的表达。免疫荧光染色、western blotting 和流式细胞术分析也证实了这一点。而且，M2 极化的巨噬细胞能分泌更多的骨形态发生蛋白 - 2（BMP-2）和转化生长因子 -β1（TGF-β1）等成骨因子，促进 BMSCs 的成骨分化。在体内实验中，通过大鼠股骨缺损模型研究发现，复合支架能有效促进骨缺损修复。Micro-CT 分析、组织学染色和免疫荧光、免疫组化染色结果均表明，经历形状记忆过程的复合支架（AF-SP 组）新骨形成最多，能有效刺激成骨标记物表达，诱导巨噬细胞 M2 极化，减轻早期炎症反应，展现出良好的骨修复性能和生物相容性。

研究人员成功开发出的这种原位自供电 3D 打印复合支架，具有卓越的形状记忆性能、压电性能、生物相容性、免疫调节和骨生成特性。它巧妙地将形状记忆过程与压电效应相结合，在患者术后初期，利用形状记忆行为刺激 PVDF 产生电荷，调节局部免疫微环境；当患者恢复活动能力后，通过康复锻炼施加的持续机械力刺激，使支架持续输出电压，进一步促进骨修复。这种双阶段功能让支架在整个骨愈合过程中实现原位自供电，为骨组织工程提供了一个极具前景的平台。不过，研究也存在一些局限性，比如支架在体内的降解会影响压电输出，其降解产物的长期毒性也有待进一步研究。但总体而言，这项研究为骨缺损修复开辟了新的道路，为未来的临床应用奠定了坚实基础，有望让更多患者受益。