摘要:

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1.文章导读

组织工程支架不仅需要良好的生物相容性、力学性能和适当的孔隙结构，还应积极参与生物物理和生化过程，加速组织修复。压电支架在变形时可以产生电信号，构建出诱导细胞信号通路和促进组织再生的电微环境，在组织工程领域受到广泛关注。支架的压电性主要来源于定向排列的偶极子在外力作用下出现的偏移，这高度依赖于支架结构和制备工艺。因此，深入理解结构与工艺对压电性能的调控机理，是开发高性能压电支架的关键。

近期，中南大学机电工程学院、极端服役性能精准制造全国重点实验室帅词俊教授、冯佩教授团队在SCI期刊《极端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）期刊上发表了题为《组织工程用压电支架：材料、结构、制造与功能》的文章，系统性的综述了压电支架的制备技术和结构设计在调控压电性能的最新研究进展，详细介绍了压电支架在组织工程中主要的应用场景，并对组织工程用压电支架当前面临的挑战和未来的研究方向进行了讨论。

2.图文解析

合理设计支架结构可以提高应力传递效率，使局部机械刺激更有效地转化为压电电位。这种结构—性能协同作用极大地提升了压电材料在组织工程中的应用潜力。目前的研究重点集中于通过微观/宏观结构设计来调控应变分布和应力传递方式。图1展示了超材料在压电支架结构设计中的应用。超材料是指具有天然材料所没有的非凡物理特性的人工复合结构，其显著特征是其物理性质主要取决于由有序和规则的基本单元组装而成的人工结构。将压电材料的机电耦合特性与复杂的结构设计相结合，可以克服压电材料固有性能的局限性，实现对支架压电和机械性能进行量身定制的设计和调控，是未来压电支架结构设计中的重要研究方向。

图1 压电超材料. (a) 具有各向异性和自定义性能的压电超材料的设计；(b) 压电材料在准静态和谐振频率下均可实现所有有效的正应变或剪切应变模式；(c) 典型八元桁架材料图像及相应的压电系数d₃₃；(d) 不同细胞大小、细胞几何形状、相对密度、元结构和组成元素的陶瓷支架三维图像。

用于制备压电支架的增材制造技术如图2所示。具有复杂结构压电支架的制备高度依赖于制造技术，当前压电支架的制备技术主要包含传统制备技术和增材制造技术。其中，增材制造技术作为一种先进的制造方法，通过材料逐层堆叠制备出具有三维结构的压电支架。目前常用的增材制造技术包括熔融沉积成型技术、数字光处理技术、选择性激光烧结技术和直接墨水书写技术。利用增材制造技术可以实现任何复杂结构的三维模型，从而满足组织工程用压电支架的孔隙调控和形状定制的要求。

图2 压电支架的增材制造技术。(a) 熔融沉积成型制备压电支架的过程示意图及支架照片；(b) 数字光处理技术制备压电支架的过程示意图及支架照片；(c) 选择性激光烧结技术制备压电支架的过程示意图及支架照片；(d) 直接墨水书写技术制备压电支架的工艺原理图和支架照片。

增材制造技术在复杂几何结构支架的制备中显示出显著的优势和潜力。然而，由于偶极子的定向调节不足，压电支架的性能还不够突出。越来越多的研究人员已经认识到这一局限性，并在增材制造的基础上提出优化策略—即在支架的制作过程中，通过合理的处理工艺，使偶极子有序排列，从而使支架具有自极化特性。目前，已经报道的用于制备压电支架的辅助增材制造技术主要有：电极化辅助增材制造技术、溶剂交换辅助直接墨水书写技术和溶剂辅助沉淀直写3D打印技术（图3）。这些技术在制备具有高压电性能的支架方面展现出了巨大的潜力。

图3 辅助增材制造技术用于制备压电支架。(a) 电极化辅助增材制造技术：集成熔融沉积成型技术和电晕电极化装置；(b) 溶剂交换辅助3D打印技术的制备压电支架的过程示意图及支架的图像；(c) 溶剂辅助沉淀直写打印制造具有可调微结构的PVDF支架。

骨损伤的再生和修复是一个复杂的过程，包括血肿形成、炎症反应、软骨形成、成骨和骨重塑等各个阶段。在这一过程中，生物电信号包括离子通道活性的变化、跨膜电位的调制和细胞间电化学信号直接影响成骨细胞分化、血管生成和细胞外基质重塑。植入式压电支架可以将人体自然活动或外界机械刺激（低强度超声刺激）产生的机械力直接转化为局部电信号，参与电压门控离子通道的调节，改变细胞骨架结构，影响相关信号通路，从而促进新骨的生长。

图4 压电支架促进骨再生。(a) 促进骨缺损修复的压电骨膜-骨一体化种植体；(b) 用于骨软骨缺损修复的可生物降解压电导电一体化水凝胶支架。

随着数字医疗技术的快速发展和智能化的转变，植入式医疗器械在组织愈合和再生医学领域的功能要求已经超越了仅仅提供机械支持、促进修复和维持基本生理功能。治疗过程中损伤部位的实时监测已成为现代医疗保健的新目标。压电材料由于其力—电耦合特性，可以将生理指标（如脉搏、血压）转换为电信号，通过分析其输出的电信号强度和特征有望实现健康监测（图5）。此外，分析缺损部位在不同的恢复期时对支架施加的刺激强度，可以评估相应损伤区域的恢复情况。宽检测范围、高灵敏度和自供电能力（不需要外部电源）的优点使其在传感和监测方面具有广阔前景。

图5 基于压电支架的智能监测。(a) PLLA/BTO压电传感器用于神经损伤后运动功能恢复的实时评估；(b) 仿生压电复合材料防护式可穿戴传感器。

3.总结与展望

压电材料由于其独特的机电转换能力，可以将人体活动产生的机械应变转化为生物电信号，在组织工程领域展现出巨大的潜力。然而，当前压电支架的研究仍不够成熟，实现压电支架的“按需性能”通常需要综合考虑材料设计、结构优化、制造工艺和功能，通常还需要材料科学、医学和机械工程的跨学科合作。理想的支架不仅要提供合适的电微环境，还要满足机械支撑、生物相容性、抗菌抗炎、促进血管生成等多方面的要求，从而真正模拟天然组织的复杂生理功能，因此压电支架未来将超越单一的电刺激功能，逐步向多功能一体化方向发展；压电支架的长期生物安全性是临床应用的关键考虑因素，未来的研究还应通过动物实验和临床试验，系统评估压电材料的体内降解行为和代谢途径，以确保其长期的生物安全性；下一代压电支架的功能不再局限于促进组织再生，压电支架还要能够实时感知局部微环境变化，监测组织愈合过程和支架状态，并提供相应反馈，实现基于实时反馈的精准治疗（图6）。

图6 压电支架未来在设计、多功能、生物安全性和实时监测等方向的发展前景。