静电纺丝技术模拟生物电微环境引领组织再生新纪元

研究背景

人体内多种组织和器官，如神经、心脏、骨骼和皮肤等依赖生物电信号维持功能与再生。传统电疗法虽有效，但需外部电源和侵入式电极，导致感染风险高且患者舒适度低。该综述创新性地提出利用静电纺丝技术制备电活性电纺支架，通过模拟细胞外基质结构并赋予电活性，实现无创、自供电的组织修复。

研究内容

1. 电信号促进组织再生的机制

人体内电敏感组织（如神经、心脏、骨骼、皮肤和骨骼肌等）依赖内源性电信号驱动再生过程，为仿生组织工程提供了革命性视角。电信号不仅是生理功能的基石，更在损伤修复中扮演核心角色。例如，神经系统通过动作电位指导轴突定向生长与突触形成；心脏依靠窦房结生成的节律性电脉冲实现精确的兴奋-收缩耦合；骨骼的压电特性将机械应力转化为局部电场，促进成骨细胞分化；皮肤则通过跨上皮电位在损伤时形成梯度电场，驱动离子流动与细胞迁移。在分子机制层面，电刺激信号可通过钙离子信号通路、MAPK、PI3K/Akt及Wnt等关键路径调控干细胞分化为成骨、软骨或神经细胞，促进组织再生与修复。

2. 电纺支架的基础设计与制备

静电纺丝技术通过高压电场将聚合物溶液或熔体拉伸成微纳米纤维，精准模拟天然细胞外基质（ECM）的拓扑结构。研究团队通过材料选择（如天然聚合物、合成聚合物或超分子肽）、纺丝方法（如同轴电纺、熔融电纺电写等）以及调控电压极性（正或负），实现模拟细胞外基质以及赋予支架表面电势，用于组织再生。

3. 电纺支架的电活性构建

通过合理选择电活性材料，静电纺丝可用于构建导电、压电以及摩擦电支架。在导电材料领域，导电聚合物（如PPy、PANI）和导电纳米材料（如石墨烯、碳纳米管）通过电子跳跃或离域π键实现高效电信号传导，显著增强神经、心肌等电敏感组织的修复能力。在压电材料方面，压电陶瓷（如BaTiO₃、ZnO）和压电聚合物（如PVDF、PLLA）通过非中心对称结构将机械应力转化为电信号，模拟天然组织的电生理微环境。摩擦电材料则通过材料间的电子转移形成生物电信号，无需外部电源即可激活细胞响应。因此，导电、压电与摩擦电技术的融合为仿生电活性支架设计开辟了新路径。

4 电活性电纺支架的智能应用

电活性电纺支架在组织再生领域具有多种智能应用方式。导电支架通过介导内源性电信号引导细胞行为以促进组织再生；而压电支架则能利用机械应力产生动态电信号，进而促进组织修复。此外，电纺丝还可与其他技术如3D打印和水凝胶结合，形成复合植入物，克服传统2D电纺膜的局限，提供三维生长环境。纳米发电机（如压电纳米发电机和摩擦纳米发电机）可将机械能转化为电能，用于可穿戴或植入式治疗，增强再生效果。智能电活性药物递送系统则可通过电刺激实现药物的可控释放，从而减少副作用。

未来展望

静电纺丝技术正从“结构仿生”迈向“功能仿生”，电活性电纺支架作为“无源电疗”的代表，有望成为下一代组织工程产品的核心组成部分。这一技术不仅推动再生医学的发展，也为慢性伤口、神经损伤、骨缺损等难治性疾病提供了新的治疗希望。尽管电活性电纺支架在多种动物模型中展现出卓越的再生潜力，但其临床转化仍面临挑战：包括支架结构设计的复杂性、电活性材料的长期稳定性与生物安全性、电刺激参数的标准化等。未来的研究需聚焦于材料优化、规模化生产以及个性化治疗策略的开发，以期最终实现从实验室到临床的转化。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0959