综述：揭示极化压电铌酸钾钠的生物材料特性：一项全面研究

这篇综述系统探讨了无铅压电陶瓷铌酸钾钠（NKN）在生物医学领域的应用潜力，重点分析了其压电性（d33=80 pC/N）、介电性（εr=290）和机电耦合特性（Kp）如何模拟天然骨的生物电活性，从而促进骨再生、抑制细菌（如S. aureus）并推动癌症治疗等跨学科应用。

　　

引言

骨骼作为天然压电材料，其修复过程高度依赖机械应力触发的生物电信号。传统骨修复材料因缺乏电活性而受限，而具有钙钛矿结构的铌酸钾钠（Na_0.5K_0.5NbO₃，NKN）因其无铅特性、高压电系数（d₃₃）和优异热稳定性，成为替代羟基磷灰石（HA）和钛酸钡（BaTiO₃）的新兴生物材料。

骨的组成与电活性

骨基质中胶原纤维的极性排列使其在机械载荷下产生压电效应：压力区形成负电荷促进成骨细胞（osteoblast）活化，而张力区正电荷则激活破骨细胞（osteoclast）。这种电信号通过细胞膜通道调控基因表达，直接影响骨重塑（bone remodeling）进程。

NKN的结构与性能优势

纯NKN在准同型相界（MPB）附近表现出最优性能，其压电常数（80 pC/N）和机电耦合系数（K_p）远超传统材料。通过掺杂策略（如Li⁺或Ta⁵⁺取代），可进一步提升其介电常数和居里温度（T_c），使其在生理环境中保持稳定电活性。

极化机制的关键作用

高温（>200°C）外加电场（kV/mm）的极化处理使NKN晶畴定向排列，产生宏观压电性。极化后的表面电荷密度显著增强，通过吸附纤维连接蛋白等生物分子，直接促进成骨细胞粘附与分化。

骨组织再生应用

NKN基支架通过模拟天然骨的电微环境，加速骨折愈合。动物实验显示，其产生的应力电位（-100~+50 mV）可引导新生骨沿极化方向生长，同时抑制纤维包裹（fibrous encapsulation），提高植入体长期稳定性。

抗菌与癌症治疗潜力

NKN表面负电荷可破坏细菌（如P. aeruginosa）细胞膜完整性，其压电效应还能产生活性氧（ROS）杀伤肿瘤细胞。在神经/血管再生中，NKN的电刺激可引导轴突定向生长，促进内皮细胞迁移。

挑战与展望

尽管NKN在体外展现出卓越的生物相容性，但其体内降解行为、长期电荷维持能力仍需深入研究。未来可通过3D打印技术构建多孔梯度支架，结合生长因子负载，实现电-化学协同治疗。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献支持结论）