撰文︱厲 ?偉
審閱︱田 ?京
責編︱王思珍
大段骨缺損（critical-sized bone defect）是臨床骨科治療中的一大難題，遠超機體的自我修復能力。面對此類損傷，目前多采用自體骨移植、異體骨填充或人工支架輔助修復。然而，這些手段普遍存在供體來源有限、免疫排斥風險高、結構整合差以及手術復雜性強等問題，限制了其臨床應用的廣泛性和有效性。
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近年來，具備“力-電”轉換能力的壓電材料（piezoelectric materials）因能在微弱機械刺激下產生電信號、調控細胞行為，被視為骨再生領域的重要突破點。已有研究表明，電刺激有助于骨髓間充質干細胞的成骨分化和血管生成，促進骨缺損修復。然而，現有壓電系統往往依賴外部能量輸入（如超聲、拉伸、電極通電）或需結合骨支架共同應用，仍面臨設備依賴強、操作復雜、難以適配臨床場景等難題。
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因此，亟需一種“無外源激勵、無骨支架、具備自發電能力”的新型策略，用以構建穩定生物電環境，在骨缺損修復中實現真正的簡化與高效。本研究正是圍繞這一關鍵科學問題展開。
近日，南方醫科大學珠江醫院田京、陸遙教授團隊聯合華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室李國強教授團隊在《自然·通訊》（Nature Communications）在線發表題為“Self-reinforced piezoelectric chip for scaffold-free repair of critical-sized bone defects”?的研究論文。研究開發出一種新型“自增強壓電芯片”，可在無需骨支架與外部刺激的條件下，通過感應生理振動自主釋放生物電信號，加速成骨與血管生成，4周內實現兔股骨大段缺損的快速修復，展示出良好的生物相容性與臨床轉化潛力。
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研究亮點與結果詳述
自增強AlN壓電芯片的構建與表征
研究團隊設計了一種基于第三代半導體氮化鋁（AlN）的多層壓電芯片，結構由AlN壓電層、鉬（Mo）電極與帶腔體結構的硅（Si）基底組成。通過在硅基底內構建“長方形內腔”，芯片可在肌肉收縮或骨骼振動等生理微動作用下產生穩定的交變電信號。該自增強設計顯著增強了芯片對低頻力學刺激的敏感性，實現了無外部設備條件下的電信號輸出。
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圖?1：用于無支架修復關鍵尺寸骨缺損的自增強壓電芯片的設計與特性分析。
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AlN芯片能促進成骨分化和血管生成
體外培養中發現，芯片在模擬生理振動下可顯著增強骨髓間充質干細胞（BMSCs）的增殖活性和成骨潛能。與對照組相比，AlN芯片+振動組的細胞活性最高，細胞骨架延展充分，成活率與密度顯著提高。同時，成骨早期標志物堿性磷酸酶染色及茜素紅染色均顯示芯片組在7天和21天時具有最強的成骨能力。芯片對人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）同樣展現出強力促血管效應。AlN芯片+振動組HUVECs遷移加快，形成更多分支結構；VEGF-A、CD31等血管生成關鍵基因和蛋白表達水平顯著上調，顯示芯片釋放的電信號不僅能促進成骨，也能顯著提升局部血管生成。
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圖?2：該芯片的體外成骨效果。
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AlN芯片可在4周內重建大段負骨缺損
在兔股骨干大段骨缺損模型中，研究將芯片通過PDMS粘附于8孔Ti6Al4V鋼板中部，再按臨床骨折固定原則植入骨缺損區。術后未添加任何骨移植材料、細胞、支架或外部振動，僅依賴兔自身生理運動提供力學刺激。術后4周，X光及Micro-CT影像顯示，芯片組缺損區幾近完全橋接修復，骨量、骨小梁數目顯著高于其他組別。
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圖?3：該芯片促進兔子關鍵尺寸股骨缺損處的骨形成。
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本研究提出了一種具有自增強功能的新型壓電芯片系統，突破性地實現了無需支架與外部刺激條件下的大段骨缺損修復。芯片通過腔體結構增強生理振動響應能力，在體內自主釋放穩定微電信號，協同激活成骨與血管生成通路，為構建“內源驅動式”骨修復微環境提供了全新路徑。
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與以往依賴支架、外部供能或復合細胞材料的策略不同，該芯片僅需通過PDMS固定于臨床常用的金屬鋼板，即可在原有骨折固定體系中發揮“即插即用”的骨修復功能，具備高度臨床適配性和簡化操作優勢。
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該芯片策略有望拓展應用至更多類型的骨科植入系統（如脊柱、口腔種植等），推動“無源型骨修復智能材料”的落地轉化，為骨再生工程提供更智能、低依賴的解決方案。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61243-w
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本研究由南方醫科大學珠江醫院臨床技能中心、關節骨病外科牽頭，聯合華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室共同完成。
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