引言：压电材料具有响应机械变形而产生电压的固有特性，无需外部电源或电极^[1]。它们的压电特性可能促进蛋白质在表面的吸附，形成加速内皮化的细胞粘附环境，并能启动或加速细胞增殖和分化等重要生物过程^[2]。由于其对细胞行为和组织再生的积极影响，压电材料被认为是血管组织工程的潜在材料。然而，现有压电材料的性能仍无法满足快速内皮化的要求。

近日，来自北京工业大学物理与光电工程学院激光工程学院的陈涛研究员以及北京工业大学化学与生命科学学院的张艳萍团队等人，在《Journal of Polymer Science》发布了题为“Piezoelectric Composite Nanofibers Promote Endothelial Cell Proliferation and Alignment Toward Rapid Endothelialization”（压电复合纳米纤维促进内皮细胞增殖和排列以实现快速内皮化）的研究成果。该团队通过制备具有高压电电压响应和合适机械性能的复合纳米纤维，成功促进了内皮细胞的增殖和定向生长，加速了血管内皮化进程。这一成果为小口径原位血管组织工程提供了新的材料选择，为解决血管组织工程中快速内皮化的难题提供了新的思路和方法。

新型压电复合纳米纤维的制备

众所周知，尽管 PVDF 表现出高压电性，但其不可降解性和较差的细胞粘附能力限制了其在组织工程中的应用。为了解决这些限制，该研究利用了蛋壳膜 (ESM)，一种具有更好生物相容性的天然压电材料。ESM 是一种薄纤维膜，由位于蛋壳和蛋清之间的各种类型的胶原蛋白 (I、II 和 X) 和蛋白质 (包括骨蛋白、角蛋白和唾液蛋白) 组成。ESM 价格低廉且无毒。ESM 的压电系数为 17.8 pm/V，与压电聚合物相当，其机械电能转换效率约为 63%。然而，ESM 的机械强度差限制了其承受反复生理血压的能力。聚合物聚乳酸 (PLA) 是一种合成的生物相容性和可生物降解的聚合物，具有高压电响应，并已被美国食品和药物管理局 (FDA) 和欧洲药品管理局 (EMA) 批准用于医疗应用。在过去的几十年中，PLA 已被广泛研究用于药物递送系统和组织再生。此外，钛酸钡 (BT) 被归类为生物压电材料，压电系数高达 191 pc/N。即使在高浓度下，它也表现出良好的生物相容性，已被证明是广泛医疗应用的有前途的候选材料。由于钛添加物的存在，BT 还可以改善支架的机械性能。
在该研究的实验中，首先，通过旋涂法在蛋壳膜（ESM）表面均匀涂覆聚乙烯氧化物@聚苯胺（PEO@PANI）。随后，通过静电纺丝将聚乳酸@钛酸钡（PLA@BT）定向纳米纤维沉积在 ESM-PEO@PANI 膜上。PEO 的存在改善了 PLA@BT 纳米纤维与底层 ESM 层之间的界面粘附性，而其压电导电性则由具有高导电性的 PANI 传导。经过等离子体处理后，ESM-PEO@PANI-PLA@BT 纤维展现出超亲水性。

图3：不同纤维的水接触角 a1.ESM-PEO@PANI-(R)PLA@BT (0%) a2.ESM-PEO@PANI-(O)PLA@BT (0%) b1.ESM-PEO@PANI-(R)PLA@BT (10%) b2.ESM-PEO@PANI-(O)PLA@BT (10%) c1.ESM-PEO@PANI-(R)PLA@BT (20%) c2.ESM-PEO@PANI-(O)PLA@BT (20%) d1.ESM-PEO@PANI-(R)PLA@BT (30%) d2.ESM-PEO@PANI-(O)PLA@BT (30%) NP.未等离子体处理 P.等离子体处理后

压电纳米纤维的良好机械性能

XRD 分析显示，ESM-PEO@PANI（O）PLA@30% BT 定向纳米纤维中 PLA 的相含量达到 45.06%，而 FTIR 分析显示其相当的 β 相含量为 44.23%。纳米纤维的定向性增强了其弹性极限强度（高达 2.60 MPa）和杨氏模量（高达 3.55 MPa），提供了足够的机械性能以承受生理血压。值得注意的是，在 0~40% 应变下进行 50 次循环拉伸后，未观察到结构损伤，显示出优异的抗疲劳性。

图6：a.FTIR光谱 b.PLA中β相含量 a.ESM-PEO@PANI-PLA@BT (10%) b.ESM-PEO@PANI-PLA@BT (20%) c.ESM-PEO@PANI-PLA@BT (30%)

图7：复合纤维膜的力学性能 a.ESM-PEO@PANI-(R)PLA@BT (0%、10%、20%、30%)纤维的任意方向拉伸测试 b.ESM-PEO@PANI-(O)PLA@BT (0%、10%、20%、30%)纤维的纵向拉伸测试 c.ESM-PEO@PANI-(O)PLA@BT (0%、10%、20%、30%)纤维的周向拉伸测试 d.ESM-PEO@PANI-PLA@BT纤维的弹性极限强度 e.ESM-PEO@PANI-PLA@BT纤维的弹性极限应变 f.ESM-PEO@PANI-PLA@BT纤维的杨氏模量

压电纳米纤维的高压电电压性

此外，ESM-PEO@PANI-（O）PLA@20% BT 复合纳米纤维实现了 0.706 V 的峰值输出电压，与随机（R）PLA 纳米纤维相比增加了 472.5%。其相应的开路电流达到 0.296 μA，压电灵敏度为 72.27 mV/N。此外，培养在 ESM-PEO@PANI-（O）PLA@20% BT 复合纳米纤维上的人脐静脉内皮细胞（HUVECs）显示出良好的细胞相容性，其光密度（OD）值增加了 21.7%，并表现出明显的定向生长。在低强度声刺激（0.1 W/cm²）下，HUVECs 的增殖率增加了 257.29%。

图15：不同纤维上培养的HUVECs的形态 a.ESM-PEO@PANI-(R)PLA@BT (10%)随机纤维 b.ESM-PEO@PANI-(R)PLA@BT (20%)随机纤维 c.ESM-PEO@PANI-(R)PLA@BT (30%)随机纤维 d.ESM-PEO@PANI-(O)PLA@BT (10%)定向纤维 e.ESM-PEO@PANI-(O)PLA@BT (20%)定向纤维 f.ESM-PEO@PANI-(O)PLA@BT (30%)定向纤维

 

 

图17：不同压电纤维上培养的HUVECs的OD值 a.ESM-PEO@PANI-(O)PLA@BT (10%) b.ESM-PEO@PANI-(O)PLA@BT (20%) c.ESM-PEO@PANI-(O)PLA@BT (30%) 声强：超声刺激的声强 NUS：未超声刺激 US1：0.1 W/cm² US2：0.5 W/cm² US3：0.8 W/cm²

综上所述，该研究通过将 ESM 和 PLA@BT 纳米纤维结合，团队成功制备了具有高压电电压响应和合适机械性能的多层纳米纤维复合膜。这种具有高压电响应的 ESM PEO@PANI-（O）PLA@20% BT 复合纳米纤维显著促进内皮细胞的增殖和排列，有利于快速内皮化，并在小直径原位血管组织工程中具有巨大潜力。

文献来源：https://doi.org/10.1002/pol.20250050

引用来源：
[1]P. Hitscherich, S. Wu, R. Gordan, L.-H. Xie, T. Arinzeh, and E. J. Lee, “The Effect of PVDF-TrFE Scaffolds on Stem Cell Derived Cardiovascular Cells,” Biotechnology and Bioengineering 113, no. 7 (2016): 1577–1585.
[2]A. Cafarelli, P. Losi, A. R. Salgarella, et al., “Small-Caliber Vascular Grafts Based on a Piezoelectric Nanocomposite Elastomer: Mechanical Properties and Biocompatibility,” Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 97 (2019): 138–148.