医工交叉创新为个性化骨修复治疗提供新思路

东方网通讯员杨静1月11日报道:电刺激作为一种非药物康复手段，被证明可以有效促进组织再生和功能恢复，有望缩短组织或器官的修复时间。然而，传统的电刺激疗法需要笨重的设备，患者舒适度较低，难以实现患者的个性化治疗，限制了其在临床中的应用。但通过医工交叉合作，中国学者创新研发了一种柔性微型植入式共生电子器件，打破了这种限制。

日前，国际著名学术期刊《科学进展》在线发表了中国学者的研究论文Rehabilitation?Exercise-driven?Symbiotic?Electrical?Stimulation?System?Accelerating?Bone?Regeneration(《康复运动驱动的共生电刺激系统加速骨再生》)，这是同济大学附属第十人民医院郑龙坡教授团队、中国科学院纳米能源所李舟教授、复旦大学附属口腔医院陈峰研究员/曹文涛副研究员和中国科学院大学欧阳涵副教授团队合作诞生的研究成果，创新性应用微型植入式共生电子器件，利用人体自身康复运动供能，无需电池供电和电路调制，就能够提供稳定可控电刺激的共生体系，从而促进骨修复。

在本研究中，研究者将一种复合压电/摩擦电纳米发电机与导电水凝胶组合，构建可体内植入的共生电刺激系统(BD-ES)，通过水凝胶优异的可注射性和粘附性，可适用于不同形状的骨缺损。同时植入于关节附近的纳米发电机可通过患者主/被动功能锻炼，采集运动过程中产生的能量，产生双相电脉冲电信号以响应康复运动，用于促进体内骨再生和干细胞成骨分化，在骨修复方面显示出较好的潜力，契合共生生物电子与加速康复外科理念。本研究通过整合康复锻炼和电刺激，为个性化骨修复治疗提供了新的见解。

此外，研究团队探究了相关机制，发现BD-ES系统与成骨密切相关的WNT和MAPK通路高度相关，上调了PIK3CA、WNT11?和?ERK1蛋白等多个关键蛋白的表达。PIK3CA、WNT11?和?ERK1?蛋白也在细胞对机械敏感刺激反应的生物过程中高度表达，表明这些通路与机械敏感刺激反应可能存在协同作用。通过生物信息学验证，发现BD-ES系统上调了PIEZO1机械敏感蛋白的表达，这表明电刺激可能通过上调?BMSCs对机械刺激的响应，而对成骨产生积极影响。

总的来说，这一研究揭示了个性化康复运动驱动的共生电刺激系统在促进成骨过程中的积极作用，为电刺激在骨修复领域中的应用提供了新的思路，有望在未来为患者提供更加安全、高效和精准的治疗。

郑龙坡教授为该研究论文的第一通讯作者，同济大学附属第十人民医院为第一通讯单位，中科院纳米能研所李舟教授，同济大学附属第十人民医院/复旦大学口腔医学研究院陈峰研究员和曹文涛副研究员为共同通讯作者；同济大学2021级博士研究生王天龙，中科院纳米能研所欧阳涵教授以及同济大学2023级博士研究生罗怡平为本文的共同第一作者。本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、上海市自然基金面上项目、北京市自然科学基金等项目资助。