引言：当“电”遇上再生医学

在骨组织修复领域，生物材料的电活性对细胞行为调控至关重要。天然骨组织本身具有压电性（如胫骨压电常数约8 pC/N），能通过机械力（如咀嚼压力）产生电信号，促进骨再生。然而，传统聚左旋乳酸（PLLA）材料的压电常数较低（约9.8 pC/N），且难以灵活调节，限制了其在临床中的应用。本文研究团队来自华东理工大学材料科学与工程学院刘昌胜院士团队，通过静电纺丝技术制备了一系列可调压电常数的聚乳酸（PLLA）纳米纤维膜，并探索其在颌骨缺损修复中的潜力。

创新亮点：从“可控电信号”到“精确再生”

本研究在纳米纤维压电材料领域具有三大技术创新点：

一、技术创新点：调控PLLA纳米纤维膜的压电常数

1、首次实现宽范围可调压电常数（0~30 pC/N）

◆ 通过调节静电纺丝液的参数（PLLA分子量、浓度、体积、电导率），作者实现了PLLA纳米纤维膜压电常数的精确调控，是目前文献中罕见的系统调控方案。

通过调节以下四个关键参数：

聚合物分子量：分子量越高，链排列越有序，压电性能更佳；

纺丝液浓度：低浓度可形成更细纤维，提高d33值；

溶液体积（影响膜厚）：厚度越大，压电输出越高；

溶液导电性：引入高极性混合液（如吡啶-甲酸）可进一步提高压电性能。

◆ 实验中最高压电常数达到 30.7 pC/N，超过当前文献中记录的PLLA最高压电值（25 pC/N）。

2、构建“自供能+可调压电响应”双功能膜

Ø 可在无需外部电源的情况下，响应内源性机械刺激（如咀嚼、牵引）释放电信号，刺激细胞增殖和骨修复。

Ø 为“自供能医学器械”提供了新策略。

二、应用创新点：用于下颌骨缺损修复的压电刺激膜材料

1、首次验证不同压电强度对细胞行为的精准调控

Ø 实验发现不同d33值的膜对干细胞增殖、黏附、迁移、成骨诱导能力存在显著差异。

Ø 比如d33 = 15 pC/N（PLLA-2-20）组增殖率提高至130%，成骨基因表达为对照的3倍。

2、动物实验证实：压电刺激显著加快下颌骨再生

Ø PLLA-2-20组在8周内实现完整骨修复，且新骨密度高、结构与天然骨相似，优于低压电组和对照组。

Ø 说明“高压电响应+力电转化”可以高效调动内源性修复机制。

三、机制研究亮点：β晶相结构调控与电响应构建

Ø 利用红外、XRD、DSC等手段系统分析了PLLA膜的晶型转变（α → β），并证明高β相含量有利于压电性能增强。

Ø 提出了电响应促进钙离子通道激活、细胞牵引力→压电反馈→细胞行为调控的新机制路径。

图文解析

图1 具有可调压电常数的可降解PLLA纳米纤维膜制备工艺及其诱导的细胞行为与成骨活性差异图示。

图2 PLLA纳米纤维膜的微观形貌与压电性能表征。（A）调控PLLA纺丝溶液浓度获得的纳米纤维形貌观察及直径分布；（B）相同浓度下调控纺丝溶液体积的纳米纤维膜形貌观察；（C）基于纺丝浓度调控的PLLA纳米纤维膜压电常数；（D）基于纺丝溶液体积调控的PLLA纳米纤维膜压电常数（均值±标准差，n = 10）。

图3 PLLA纳米纤维膜压电性能表征。（A）压电常数范围及其对应样品的分布图；（B）相同处理条件下三种不同d₃₃值PLLA纳米纤维膜的输出电压；（C）干燥环境中PLLA纳米纤维膜的压电稳定性；（D）液体环境中PLLA纳米纤维膜的压电稳定性；（E）PLLA-2纳米纤维膜的压电力显微镜（PFM）振幅与相位滞后回线；（F）单根PLLA-2纳米纤维在特定作用力下的输出电压曲线（所有测量均在残余电荷模式下进行以排除静电干扰）；（G）人体软骨、颅骨及胫骨的压电常数对比；（H）实验所用PLLA纳米纤维膜压电常数及其对应样品名称（均值±标准差，n = 10）。

图4 具有不同压电常数的PLLA纳米纤维膜结构分析。（A）PLLA-2-0、PLLA-2-10、PLLA-2-15和PLLA-2-20的X射线衍射（XRD）图谱；（B）傅里叶变换红外光谱（FTIR）图像及其特征区域标示（a）850~500 cm⁻¹、（b）1100~800 cm⁻¹、（c）1300~1100 cm⁻¹、（d）1800~1700 cm⁻¹；（C）PLLA-2-0、PLLA-2-10、PLLA-2-15和PLLA-2-20的差示扫描量热（DSC）曲线。

图5 具有不同压电常数的PLLA纳米纤维膜对BMSCs的细胞响应。（A）细胞-材料相互作用示意图；（B）CCK-8法检测第1、3、5天的吸光度（OD）值；（C）BMSCs在膜材料上培养第1和3天的荧光染色图像（均值±标准差，n = 3；*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001，****P < 0.0001）。

图6 不同压电常数膜材料上细胞的粘附与迁移行为。（A）BMSCs培养24小时的免疫荧光染色图像；（B）细胞长宽生长定量分析；（C）细胞纵横比定量分析；（D）黏着斑蛋白荧光强度定量分析（均值±标准差，n = 3；*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001，****P < 0.0001）。

图7 不同压电常数PLLA膜上BMSCs的成骨分化效应。（A）培养7天的ALP染色图像；（B）培养14天的ARS染色矿化评估；（C）ALP相对活性；（D）钙沉积染色强度；（E）培养7天后成骨相关基因（ALP、BMP-2、Col I、OCN、OPN、Runx-2及TGF-β）表达的实时定量聚合酶链式反应（RT-qPCR）分析（均值±标准差，n = 3；*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001，****P < 0.0001）。

图8 PLLA压电纳米纤维膜电刺激促进大鼠下颌骨缺损骨再生。（A）大鼠下颌骨缺损模型（3×1.5 mm²）构建流程；（B）对照组、PLLA-2-10和PLLA-2-20处理组术后4周及8周的缺损部位显微CT三维重建图像；（C）骨矿物质含量（BMC）、（D）骨密度（BMD）、（E）骨体积分数（BV/TV）及（F）骨小梁间距（Tb.Sp）定量分析（均值±标准差，n = 6；*P < 0.05，**P < 0.01）。

图9 PLLA纳米纤维膜骨修复能力的组织学评估。（A）H&E染色显示第4周时PLLA-2-10与PLLA-2-20组下颌骨缺损情况；（B）第4周Masson染色表征PLLA-2-10与PLLA-2-20组下颌骨修复效果；（C）第8周H&E染色显示PLLA-2-10与PLLA-2-20组下颌骨缺损修复状态；（D）第8周Masson染色表征PLLA-2-10与PLLA-2-20组下颌骨修复效果（CF：胶原纤维；BT：骨小梁；SB：松质骨；LB：板层骨；MC：骨髓腔；n = 6）。

总结与建议：让“自供电纤维”走向实用

这项研究不仅提出了压电性能可调控的新策略，也以严谨的体内外验证为PLLA纳米纤维在骨修复领域的应用奠定了扎实基础。

对我们行业而言，这份研究也启示我们：

◆ 静电纺丝设备的“精控化、稳定化”将是产业发展核心；

◆ 技术与应用场景对接需从“细胞级”验证出发；

◆ 靠工艺创新与参数优化，可以不用添加昂贵纳米材料，也能大幅提升产品性能。

作为设备厂家，我们将持续推动从实验室研究到中试放大乃至量产应用的落地路径。

DOI：https://doi.org/10.1093/rb/rbae150