《Advanced Materials》：可生物降解的自增强压电支架用于同步腱骨再生

方案1 基于压电驱动的可生物降解纳米纤维支架治疗肩袖损伤的示意图。 (A) 电纺 PLLA/PLLA-HAp 双层压电纤维膜，具有增强的压电效应。 (B) 压电纤维支架植入肩袖和超声产生的电刺激的示意图。 (C) 显示支架的完全可生物降解特性。 (D)压电支架同步修复肌腱-软骨-骨组织示意图。

图 1 双层压电纳米纤维支架的制造和表征。 (A) PLLA 和 PLLAHAp 顺序纺丝以制备双层压电纤维支架的示意图。 (B) PLLA 和 (C) PLLA-HAp 纳米纤维膜的 SEM 图像和纤维直径统计。(D) 双层压电纤维支架的横截面和元素分布。 (E) 每个纤维组的热重曲线。 (F) PLLA 和复合纤维支架的 XRD 图谱和 (G) 机械性能。

图 2 双层纳米纤维支架的自增强压电性和完全生物降解性。 (A) 冲击模式下每个纳米纤维组的电输出。 (B) 美国驱动系统下每个纳米纤维组的电输出。 (C) 在不同频率的美国驱动条件下复合纤维支架的电输出。 (D) PLLA 和复合纤维支架中的应力和电势模拟的 COMSOL 分析。 (E) 复合纤维支架在不同降解周期期间的电输出。 (F) 压电纤维支架在 60°C 条件下不同降解周数的数码照片和 (G) 质量统计

图 3 US 激活的压电效应促进 BMSC 增殖和分化。 (A) 细胞实验中美国介导的电刺激图。 (B) 在不同纤维膜上铺展的 BMSC 的共焦显微镜图像（有/没有 US 模拟）。 (C) 不同类型支架上的细胞增殖。 (D) MSC在各种类型的支架上分别培养7、14和7天后分化细胞的ALP、ARS和阿新蓝染色的数码照片。 (E) ALP 活性和 (F) ARS 染色面积的定量分析。 （*p < 0.05、**p < 0.01 和 ***p < 0.001）。

图 4 ES 在体外指导压电支架上 BMSC 的三系分化。 (A) 在不同类型的支架上分别培养 BMSC 7 天后，肌腱形成 (COL1)、软骨形成 (SOX9) 和成骨标志物 (Runx-2) 的免疫荧光染色。 (B)说明ES细胞和支架联合引导MSC定向分化和相关蛋白表达的示意图。(C) 通过测量图像的平均像素强度 (MPI)，对 COL1、SOX9 和 Runx-2 的平均荧光强度进行统计分析。 (D) BMSCs在不同类型支架上培养7天后，分化细胞的代表性肌腱形成基因(TNMD、MKX)、软骨形成基因(ACAN、COL2A1)和成骨基因(Runx-2、OPN)的相对表达量。 （*p < 0.05、**p < 0.01 和 ***p < 0.001）。

图 5 BMSC 三系分化的转录组分析。 (A) MSCs在不同支架（有或没有ES）上定向分化的途径和潜在机制。 (B) 分别对有和没有超声刺激的肌腱形成组、非矿化软骨形成组、矿化软骨形成组和成骨组进行 DEG 分析。 (C)肌腱形成组、(D)非矿化软骨形成组、(E)矿化软骨形成组和(F)成骨组的KEGG富集分析。 (G) 各组 PI3K、p-PI3K、AKT 和 p-AKT 的蛋白质印迹分析。

图 6 US 激活的压电刺激促进 RCT 模型中的功能恢复和组织重塑。 (A) 描述动物实验和术后收获程序的程序。 (B) 接受美国刺激和随后热成像的大鼠的数码照片。 (C) 4 周和 8 周时不同组的足迹数据。 (D) 术后 4 周和 8 周修复后的肩袖组织的显微 CT 图像。粉色虚线圆圈表示原始缺陷边界。 (E) 分别在第 4 周和第 8 周时不同组的 H&E、Masson 三色和 Safranin O/Fast Green 染色。黑色箭头表示骨组织，蓝色箭头表示TBI组织，绿色箭头表示肌腱组织。 (F) 步长、(G) BT/TV (%)、(H) 肌腱成熟评分和 (I) 纤维软骨异色症的定量测量。 （*p < 0.05、**p < 0.01 和 ***p < 0.001）。

图 7 US 激活的压电刺激促进 TBI 整合。 (A) 肩袖样本生物力学测试的数码照片。 (B) 力-位移曲线，(C) 每组在第 4 周和第 8 周时的极限失效载荷和刚度。 (D) 天狼星红染色（黄色：COL I；绿色：COL III）和 (E) 植入不同支架后 8 周的 COL II 染色。 8 周时 (F) α-SMA（红色）、(G) Col2A1（绿色）和 OCN（红色）的免疫荧光染色。分别对 (H) COL II、(I) α-SMA 和 (J) OCN 表达阳性区域进行定量分析。 （*p < 0.05、**p < 0.01 和 ***p < 0.001）。

以往提升 PLLA 压电性能的做法，基本上围绕掺杂改性和提高结晶度打转。但这项研究另辟蹊径，巧妙利用了无规纤维层中分散的 HAp 颗粒来制造微观应力集中，从而放大机电耦合效率，最终把压电输出推到了纯 PLLA 的 3 倍。与此同时，双层纤维结构恰好对应了天然腱骨界面的拓扑梯度特征：取向层负责引导肌腱胶原有序排列，HAp 复合层则提供矿化所需的信号，各层分别适配不同组织的分化需求。

在治疗方式上，这套体系也有不少值得说的地方。整个方案不依赖外置电极，也不用外源性生长因子，而是靠压电效应将外部超声能量转换为支架内部的动态电信号。这样一来，免疫排斥、植入感染、异位骨化这些传统疗法绕不开的问题都被规避掉了。值得一提的是，支架在整个降解周期内都能维持有效的压电输出，力学载荷会随着新生组织的成熟逐步转移，降解节奏和组织再生进度形成了很好的匹配。

机制层面，研究把压电信号调控干细胞三谱系分化的分子逻辑梳理得比较透彻。PI3K/AKT 被证实是压电信号诱导肌腱、软骨和成骨分化共有的核心通路，各谱系还对应有不同的特异性协同通路。加上通路抑制剂的反向验证，“超声刺激→压电电信号→通路激活→干细胞定向分化”这条完整的因果链条算是真正打通了。

体内实验的结果也很有说服力。大鼠肩袖模型表明，支架搭配超声能够完整重建四层梯度腱骨界面，瘢痕组织明显减少，患肢运动功能和界面力学强度都有可观提升。单独使用超声或仅放置支架的效果都不如两者联合，这进一步说明力电协同才是起作用的关键。再加上制备工艺不算复杂，材料又能完全降解免去了二次手术，临床转化的可行性高。