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解放军总医院赵彦涛研究员团队：基于“压电网络”理论的大范围骨缺损的快速修复
近日，解放军总医院赵彦涛研究员团队的AMR述评文章“Biomimetic Bone Tissue Engineering Scaffolds Combined with Physical Stimulation to Reconstruct Piezoelectric Network for Functional Regeneration in Critical Bone Defects”在线发表。文章系统综述了骨修复支架基于天然骨组织成分、物理结构和生理功能的仿生构建的研究进展，重点探讨了通过表面形貌调控、活性成分修饰重构细胞外基质工程支架以及压电信号引入直接或间接的调控成骨功能机制，进一步创新性地提出基于“压电网络”理论的骨修复模式，实现不同部位大范围骨缺损的快速修复。
关键词：微观形貌调控，活性成分修饰，细胞外基质重构，压电网络，骨功能性重建
1 文章内容简介
大节段骨缺损因其复杂的组织结构和组成，超出了骨组织的自发再生能力，是临床治疗中的重大挑战。若不进行有效干预，将导致功能障碍甚至残疾。目前，骨缺损修复主要依赖自体骨移植、异体骨移植和人工合成骨移植三种临床手段。自体骨移植虽被视为“金标准”，但其应用受到供体组织来源有限及供区并发症风险的限制。异体骨移植则面临免疫排斥反应、炎症反应以及潜在的感染风险。人工合成骨材料面临进口异种骨（如Bio-Oss®、OsteoBiol®）价格昂贵，而国产人工骨质量稳定性与市场认可度仍有待提升的系列问题。因此，开发兼具优异生物相容性、适配的力学性能和强大骨诱导再生能力的理想仿生骨修复支架材料，成为当前骨组织工程领域的核心研究热点。
针对此，本团队聚焦于仿生骨修复支架的构建，旨在通过模拟天然骨的成分、结构及功能来解决骨缺损修复难题。首先，通过煅烧、脱钙等技术处理同种/异种骨，模拟骨基质成分与结构；其次，通过结合活性成分显著提升支架的成骨诱导活性与骨再生效率；随后，重点探索了压电效应在骨再生中的作用机制，压电信号作为关键动态物理信号，直接调控成骨过程，并同步促进血管生成和神经长入以间接加速骨修复。基于此，研究创新性提出基于“压电网络理论”的骨修复新模式，通过内源性作用（支架表面形貌调控与活性成分修饰重构微环境）与外源性物理刺激协同响应，旨在实现不同部位大范围骨缺损的快速、功能性修复。相关理论有助于解决诸如航天员太空骨质疏松等棘手难题以及多种电活性组织的修复再生。
图1.基于“压电网络”的骨修复模式
2 AMR：请问您选择该领域的初心是？
作者团队：
骨缺损（如大段骨缺损、临界骨缺损）是全球范围内高发的临床问题，传统自体/异体骨移植存在供体不足、免疫排斥、二次手术风险等局限性。而现有组织工程支架虽能诱导成骨，但普遍存在血管化不足、生物活性有限、功能性恢复不足等问题。针对此，需要通过仿生组织工程技术创新突破治疗瓶颈。我们的核心追求不仅是填补骨结构缺损，更致力于实现“血管-神经-骨”协同再生的功能性重建，让患者恢复真正意义上的生理活动能力。压电材料因其“自发电”特性成为骨修复领域的研究热点。研究表明，压电材料可通过激活电压门控钙通道、促进局部血流增加等机制，无需依赖外源性药物或电极，即可实现内源性电刺激。因此，我们提出“压电网络”理论，以内源性支架优化结合外源性物理刺激的智能协同策略，有望为“大节段骨缺损”的高效治疗提供新范式。
3 AMR：您对这个领域的发展有何愿景？
作者团队：
以“压电网络”理论为引擎，通过多学科融合创新，实现骨缺损修复从“被动填充”向“主动智能再生”的范式跃迁。在未来，让大段骨缺损患者通过一次简单手术、一套可穿戴设备，在3-6个月内重建具有神经感知与代谢活性的“活骨”，最终恢复运动机能与生活质量。同时，未来智能化、个性化与临床转化将成为核心方向，进一步突破材料科学、生物工程与医学的交叉壁垒，最终推动骨组织工程从实验室走向临床实践，这不仅为患者提供更安全、有效的治疗方案，更将为人类探索深空、应对极端环境提供骨骼健康保障。
4 AMR：您对该领域的人才培养有何种倡议？
作者团队：
骨缺损修复涉及生物医学、材料科学、电子工程等多学科交叉，需打破传统学科壁垒，鼓励年轻的科研工作者涉猎多学科的专业知识。另外，骨缺损的病因多样（如创伤、感染、肿瘤等），且患者个体差异显著，应加强与临床工作的合作，将基础研究与临床应用深度结合。
作者团队简介
赵彦涛，解放军总医院骨科医学部研究所副所长、研究员。北京市骨科植入医疗器械工程技术研究中心主任。从事骨科生物材料、医疗器械研发与临床转化。国家自然科学基金原创探索项目获得者，先后承担国家自然科学基金4项，省部级以上课题15项。发表Nano Energy、 Bioactive Materials、Nanoscale、Biomaterials、Advanced Healthcare Materials、ACS Applied Materials & Interfaces等SCI论文40余篇，获国家专利20余项，其中发明专利12项。作为主要完成人，先后荣获军队科技进步一等奖1项、华夏医学奖一等奖1项，其它省部级奖项5项。获得国内首个同种脱钙骨基质三类医疗器械注册证、赋型脱钙骨基质医疗器械注册证，以及同种异体肌腱修复材料医疗器械注册证。脱钙骨基质复合自体骨髓间充质干细胞治疗难治性骨缺损的新技术获得干细胞治疗临床准入备案。骨修复材料成果获北京市政府推荐在建党100周年国家科技周成果展展出。
李齐宏，解放军总医院第五医学中心口腔科副主任医师，正畸儿牙专科主任。研究方向涉及口腔生物材料及口腔临床研究。以第一、共一或通讯作者在ACS Nano、Biomaterials、Acta Biomaterialia、Advanced Science等高水平期刊发表论文23 篇，中国科学院1区论文7篇，TOP期刊论文8篇，获得实用新型专利 6 项，发明专利 1 项。作为项目负责人主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金等省部级以上课题9项。2014年入选北京市科技新星，2015年获得军事医学科学院优秀青年科技工作者，2017年享受军队优秀人才岗位津贴。兼任北京市口腔医学会和中国医疗保健国际交流促进会委员，Journal of Oncology编委。
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Biomimetic Bone Tissue Engineering Scaffolds Combined with Physical Stimulation to Reconstruct Piezoelectric Network for Functional Regeneration in Critical Bone Defects
Qihong Li, Chen Li, Xiaomei Bie, Jianzheng Zhang, and Yantao Zhao*
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.5c00029
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