可降解生物压电复合材料在骨组织工程中的研究进展*

代香林，姚喜军，张文凤，商佳琪，邓久鹏

( 华北理工大学口腔医学院，唐山 063000)

1 引 言

生理电位在维持骨体积和骨质量方面起着重要作用[1]。近年来，多种骨组织工程生物材料的设计中强调了模拟内源性电势予以细胞适当电刺激，从而促进骨再生这一概念。因此，学者们对恢复生理电位的骨组织再生材料进行了广泛的研究。生物压电材料的出现使此概念的应用变为可能。聚L—乳酸作为一种优良的可降解生物压电材料，其与压电陶瓷钛酸钡复合，以期制备出一种可降解生物压电材料应用于组织工程的研究中。

2 电刺激对骨再生的意义

骨骼是较早研究的天然压电材料，在骨的塑形过程中生物电现象起重要作用[1-3]。研究表明，在骨折处施加电压后可以形成负电荷积累，而累积的负电荷有利于骨折的愈合[2,4]。也可以通过植入电极等方法来施加电压从而使骨折处电荷累积，但该方法在临床治疗过程中不便于应用，且难以保证稳定有效的电刺激[2]。

电刺激(electrical stimulation，ES)在干细胞的迁移、增殖、分化和支架的粘附等方面均有积极的作用，可作为骨组织工程治疗的辅助手段。Eischen-Loges等[5]用电刺激预处理间充质干细胞,观察到电刺激产生持续的长效促成骨作用,并证实了电刺激带来的积极的成骨效果，确定了促成骨效果的最佳电刺激方案。Fonseca Junior等[6]评估了低强度电流对颅骨缺损的牛骨移植物的影响，发现了电刺激对移植物的血管生成和胶原组织作用更明显，证明了微电流有利于移植物的生长并可改善骨缺损移植的骨传导性。

近年来，电刺激促进骨再生的能力已经在临床研究中得到证实，但其作用机理仍在研究和探讨中。Srirussamee等[7]探讨了巨噬细胞和前成骨细胞对电刺激及电刺激产生的法拉第副产物的反应，结果证实了法拉第副产物可部分增强巨噬细胞Spp1的表达，从而得出了巨噬细胞可以对电刺激作出反应并可能与前成骨细胞一起参与骨形成。

3 生物压电材料

生物压电材料是一种电活性生物材料，其具备一定的生物相容性及良好的电刺激传导能力，可以模拟骨组织的生理和微电环境，从而促进骨的再生和重建[8-10]。压电类生物材料无需外加电源就能增强生理电环境刺激，在20世纪80年代就被用于修复骨组织缺损。近年来压电材料的研究热度逐渐上升，显示出其在生物医学研究中的应用潜力。

压电材料能够转换机械能和电能，在外加应力电信号刺激下产生电刺激信号通路，促进成骨细胞的增殖和分化，从而促进受损部位的组织再生。此概念推动了压电植入物用于骨再生领域的发展[1-13]。Wang等[14]制备了一种自供电的可调节电刺激系统来辅助前成骨细胞的增殖，并研究了静电纺丝和不同后处理(退火和极化)对压电纳米纤维膜表面润湿性、压电β相、铁电性能和传感性能的影响。

压电材料可分为无机压电材料、有机压电材料和复合压电材料。在各种压电生物材料中，压电生物陶瓷(如钛酸钡、铌酸钠钾、锂铌酸钾钠,氧化锌等)与压电生物聚合物类(包括聚偏氟乙烯及其共聚物、聚L—乳酸及其共聚物、聚羟基丁酸及其共聚物等)被证明有潜力成为未来的压电人工植入物[10]。

3.1 无机压电材料

无机压电材料包括压电晶体和压电陶瓷。压电晶体一般是单晶体，如石英晶体，其压电性弱，介电常数低，故近年对无机生物压电材料的研究多集中在多晶体的压电陶瓷上。压电陶瓷作为无机压电材料中不可忽视的一部分，其在骨组织工程研究领域有极高的应用潜力[8]。由于含铅类压电陶瓷的自身毒性阻碍了其在生物材料方面的应用，故近年以钛酸钡、铌酸钾钠为代表的无铅压电陶瓷材料及其复合材料广泛应用于组织工程研究领域中。

3.1.1钛酸钡 钛酸钡(BaTiO3,BTO)作为一种性能优良的压电陶瓷，在骨组织工程材料的应用方面具有广阔的应用前景。Liu等[15]将压电陶瓷材料钛酸钡涂覆于多孔钛合金支架材料上，并发现该生物活性复合支架具有良好的力学性能和电微环境，实验结果证明了该支架可促进间充质干细胞的增殖、迁移和成骨分化，并能显著增强动物体内骨和血管生成，是一种很有前途的修复骨缺损的复合生物材料，特别是在承重部位，具有很大的临床转化潜力。

3.1.2铌酸钾钠 陈威[16]通过三维打印技术制备了铌酸钾钠压电支架,高温极化后得到压电常数约为60 pC/N的压电支架。通过体外细胞实验和体内动物实验，证明了该多孔铌酸钾钠压电支架具有良好生物相容性,其能促进骨髓间充质干细胞的增殖与黏附，可以显著提高新骨生成。

3.2 有机压电材料

有机压电材料又称压电聚合物，其中以聚偏氟乙烯及其共聚物[17]、聚羟基丁酸酯及其共聚物[18-19]、聚L—乳酸[20]等聚合物在组织工程的研究最为广泛。

3.2.1聚偏氟乙烯及其共聚物 聚偏氟乙烯(PVDF)和偏氟乙烯聚三氟乙烯(P(VDF-TrFE)具有良好的压电性和生物相容性，是制备骨组织工程的理想材料[17]。Zhang等[21]建立了一种控制表面电位的有效方法，强调了优化电刺激在骨再生中的重要性，并得出在表面电位约为-53 mV的P(VDF-TrFE)膜上培养的骨髓间充质干细胞具有更好的成骨性能。唐柏林等[22]采用溶液浇铸法制备了 P(VDF-TrFE)薄膜，探究了极化后该薄膜表面静电电位对细胞成骨分化影响及其机制,结果表明随薄膜表面电势增大,细胞成骨分化能力先提高后降低,在表面电势为391 mV的薄膜上细胞展现出最强的成骨能力。

3.2.2聚羟基丁酸酯及其共聚物 聚3—羟基丁酸酯及其共聚物(PHB/PHBV)是一种可降解和生物相容性好的压电聚合物，适合于组织工程应用[18-19]。Gorodzha等[23]采用静电纺丝法制备了聚己内酯(PCL)、聚3—羟基丁酸酯共聚物(PHBV)和含硅酸盐羟基磷灰石的聚羟基丁酸酯(PHBV-SiHA)复合材料的三种骨支架。通过体外研究发现，与非压电PCL相比，压电PHBV支架具有更好的钙沉积能力。结果表明了混合型PHBV-SiHA支架在骨组织工程中具有明显的优势。Chernozem等[24]将碳酸钙粒子与聚羟基丁酸酯及其共聚物复合，制备了一种压电生物降解支架，并通过细胞实验证实了该支架良好的生物相容性，并能刺激骨组织的生长，有望应用于骨组织工程研究中。

3.2.3聚L—乳酸(PLLA) 除聚羟基丁酸酯及其共聚物外，聚L—乳酸也是一种优良的可降解的生物压电材料。同样，与钛酸钡等生物压电陶瓷材料不同，聚L—乳酸不需烧结、不需极化即可产生压电效应[8]。PLLA是一种具有螺旋聚合物链的α晶体,在正常情况下是无极性的,在拉伸或电极化作用下，α晶体可能转化为β晶体，从而赋予PLLA压电特性[23]。张鹏等[25]制备了一种生物相容性压电多孔膜材料,解决了现有技术的压电膜材料难降解、生物相容性差的的问题。Smith等[26]研究了聚L—乳酸纳米管作为生物软压电界面的详细纳米尺度表征，展示了聚L—乳酸纳米管的刚度、表面电位和压电活性的差异如何导致细胞行为的差异。Curry等[27]制备了一种具有高度可控、高效和稳定压电性能的生物可降解压电PLLA纳米纤维，其具有良好的生物相容性。研究结果表明，该纳米纤维在药物传递、组织工程等领域有极大的应用潜力。

4 压电复合材料

近年来，相关研究人员通过物理或化学的方法将不同类型电活性生物材料之间进行复合，充分发挥电活性生物材料模拟生物体生理电微环境的潜力[8]。在聚合物基质中使用纳米颗粒作为填料，开发出模拟骨组织力学、化学和电学性质的生物材料，正日益引起人们的兴趣[28]。以钛酸钡为无机相粒子，加入聚合物基体中，探究其压电性能及成骨性能，近年来已经得到了广泛的研究，见表1。

表1 钛酸钡压电纳米复合材料的d33值[29]

4.1 不可降解钛酸钡压电复合材料

4.1.1钛酸钡-聚偏氟乙烯及其共聚物纳米复合压电材料 Zhang等[21]采用溶液共混法将改性纳米钛酸钡(BaTiO3)和聚偏氟乙烯-三氟乙稀(P(VDF—TrFE))复合制备了一种可模拟内源性电位的纳米复合膜，探讨了其对骨缺损的修复效果。结果表明，含有5vol%钛酸钡颗粒的纳米复合膜极化后表面电位可至-76.8mv且具有良好稳定性，符合内源性生物电位水平。Dai等[30]通过制备BaTiO3/P(VDF—TrFE)纳米压电复合膜，再现了天然骨组织的内源电微环境，并在体外实验中发现极化的BaTiO3/P(VDF—TrFE))复合膜可增强2型糖尿病大鼠的骨再生。

4.1.2钛酸钡-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纳米复合压电材料 Tang等[31]制备了1-3型BaTiO3/PMMA生物压电复合材料，该材料具有的层状结构显著提高了复合材料的压电性能。通过极化处理后，该材料中片层BaTiO3可以诱导成骨细胞向BaTiO3层的方向生长，这对构建仿生骨单元具有重要价值。

4.2 可降解钛酸钡压电复合材料

4.2.1钛酸钡-聚已内酯(PCL)复合压电材料 杨一[2]以钛酸钡(BaTiO3)作为无机相通过两步热压法制备了0-3型BTO/PCL复合材料，研究了该复合材料的压电性能，为其在生物电活性材料领域的潜在应用提供了参考。Bagchi等[32]以钛酸钙(CT)、钛酸锶(ST)及钛酸钡(BT)三种钙钛矿型陶瓷纳米粒子为原料，采用静电纺丝法制备了PCL纳米复合材料，结果显示钛酸钡纳米颗粒赋予支架压电性能，并由体外研究证实了以上三种复合材料都支持成骨细胞增殖。Mystiridou等[33]首次使用单螺杆挤压3D打印技术制备了力学性能和孔隙度良好的PCL/BTO仿生压电复合支架，通过三维物体的压电和介电测量表明，该支架具有接近人体骨骼的压电系数(d33)和高介电常数值。体外实验表明其生物活性表面可促进成骨细胞的黏附和增殖，在负重组织工程的应用中具有极大潜力。

4.2.2钛酸钡-聚L—乳酸(PLLA)及其相关共聚物复合压电材料 Li等[34]采用静电纺丝法制备了随机定向排列的电活性BaTiO3/PLLA复合纤维支架，并发现钛酸钡纳米粒子的加入改善了纤维支架在静电纺丝过程中的表面粗糙度、亲水性和介电性能，验证了该复合纤维支架对骨髓间充质干细胞成骨分化有联合作用，并证明了其在骨再生方面具有广阔的应用前景。杨友文等[35]公开了一种钛酸钡和氧化石墨烯(GO)协同增强的左旋聚乳酸复合材料，GO作为导电颗粒可有效促进BaTiO3中偶极子的偏转,进而增强支架的压电性能并在电刺激作用下促进成骨细胞的增殖和分化,使复合支架具有良好的生物活性。

Wang等[36]采用水热法合成钆掺杂钛酸钡纳米粒子(Gd-BTO NPs)，并与聚乳酸—羟基乙酸共聚物(PLGA)复合制备了纳米复合材料，该复合材料具有与骨骼匹配的压电和介电特性，并在高压极化后产生负的表面电位,可调控小鼠前成骨细胞MC3T3-E1的成骨分化。Kemppi等[37]将钛酸钡纳米粒子加入聚(L,D)乳酸共聚物(PL/DA)支架中制备了多孔蜂窝状结构，该支架具有良好的生物相容性，其孔隙结构利于细胞向支架内迁移，并对细胞增殖有促进作用。

4.2.3钛酸钡-壳聚糖复合压电材料 Evgen等[29]制备了一种壳聚糖(CS)/羟基化纳米BaTiO3(OH-BTO)复合压电材料，并发现该复合材料具有接近于骨组织的压电系数(D33=11.29pC/N)，通过体外实验验证了其具有良好的生物相容性且可促进细胞生长。

4.2.4钛酸钡-羟基磷灰石(HA)复合压电材料 焦华等[38]制备了一种可控性BTO/羟基磷灰石纳米复合材料陶瓷块并进行了细胞毒性研究，证实了钛酸钡在陶瓷块体中的分布和大小直接增强了材料的压电性能和力学性能，且其对大鼠前成骨细胞有良好的生物相容性。Polley[39]等通过3D打印技术制备了BTO/HA复合多孔支架，该支架的孔隙结构与压电性能与骨组织十分接近，且具有良好的生物活性。

4.3 生物可降解聚乳酸压电复合材料的研究进展与展望

与不可降解材料相比，生物可降解材料在修复严重骨缺损方面发挥着越来越重要的作用，引起了研究者的广泛关注[40]。目前广泛研究的压电聚合物聚偏氟乙烯及其复合材料，在极化处理后虽有良好的弹性及压电性能，但其不可降解性使其在骨再生领域的应用受到了限制。而聚L—乳酸作为压电聚合物之一，因其易加工、显著的机械强度以及FDA批准的生物可降解性而被选为常用聚合物基质材料，凭借着其良好的生物相容性和可降解的能力，为可降解电活性植入物用于骨组织工程领域带来可能。单纯聚乳酸由于其性能单一，难以满足组织工程材料的要求，针对此问题，将聚乳酸与其他压电材料(如钛酸钡)复合后进行一些处理，使其表面达到一定电荷累积来满足内源性生理电位，从而刺激骨的形成与再生，可在骨组织工程领域找到进一步的潜在应用。此外，可降解生物电活性材料作为仿生膜和骨支架的刺激响应能力也值得进一步研究。

5 总结

压电复合材料在骨组织工程中的应用具有广泛的前景。目前许多研究表明，压电材料具有良好的生物相容性，且在一定程度上具有促进骨组织再生的能力。生物电活性植入物可以通过人体运动或应激在体内产生电荷和电位，进而促进细胞粘附、分化和迁移，从而达到刺激骨形成与再生的目的。未来的研究工作可能着重于在聚合物基质使用更高含量的钛酸钡颗粒来尽可能模拟骨组织特性，以及电刺激作用于骨细胞以获得功能性骨组织单元等方面。

天然骨主要由胶原纤维和羟基磷灰石晶体组成，这也启发了复合压电材料在骨组织工程领域中的应用。由于钛酸钡/羟基磷灰石复合材料脆性大力学性能欠佳，其在组织工程领域的应用受到了一定限制，所以适合以上要求的典型复合生物材料是在压电聚合物基体中(如聚偏氟乙烯及其相关共聚物、聚羟基丁酸酯及其共聚物、聚乳酸等)填充生物压电陶瓷颗粒(其中以钛酸钡陶瓷为典型)。同时，因聚偏氟乙烯及其衍生物的共聚物，聚甲基丙烯酸甲酯等不具备体内可降解的特性，在植入后需二次取出，该缺点限制了其应用。因此，可以复制骨组织特性(如生物降解性、生物相容性、可加工性和机械性能)的聚合物(如聚己内酯、聚乳酸、壳聚糖等)在组织工程中的应用显得十分重要。根据上述，聚L—乳酸兼备可降解性以及压电性能两个特性，所以其应得到更多研究和关注。目前只有有限的研究利用这种环境友好的策略来制备生物可降解压电复合材料。现有证据表明，钛酸钡的压电特性对自然骨形成途径有积极的影响，并使其在负重组织工程应用中得到更广泛的应用。所以，将钛酸钡与聚乳酸基高分子材料复合来制备一种生物可降解压电材料应用于组织工程研究是非常必要的。