一、课题来源与背景： 通过在骨缺损区植入具有良好生物相容性和成骨性能的生物材料是修复大面积骨缺损的一种常见和必要的技术。尽管目前羟基磷灰石、磷酸三钙等可协助新骨形成，但它们只是对骨化学成分进行仿生，在骨引导和骨诱导性方面还有待提升。从材料学角度看，骨组织是具有力-电响应行为的一类功能材料。构建具有仿骨力-电响应特性的骨修复材料是实现快速稳定缺损修复的重要途径。以钛酸钡为代表的无铅压电材料因具有良好的生物相容性及力-电响应特性。可注射水凝胶材料作为一种新型生物材料，具有良好的生物相容性、形态适配性和可塑性。本研究通过制备一种具有可注射自愈合能力的三维空间力-电响应压电水凝胶，以远程无线超声作为无创驱动方式调节压电水凝胶的输出电刺激，系统研究压电电刺激的体内外成骨活性，探索了材料响应超声产生电刺激介导骨再生的机理。 二、研究目的与意义 1. 研制具有力-电响应特性的新型可注射骨修复材料，为临床探索新一代骨缺损修复材料提供理论基础与实验数据。 2. 阐明钛酸钡压电电活性水凝胶微环境的力-电响应特性，揭示电学微环境诱导成骨分化机制，通过体内实验验证其促进骨再生作用。 三、主要论点与论据 1. 通过3-氨丙基三乙氧基硅烷表面改性可将活性氨基基团接枝到钛酸钡纳米颗粒上，形成氨基功能化钛酸钡（KBTO）纳米颗粒。KBTO纳米颗粒可通过席夫碱键和氢键与明胶/氧化硫酸软骨素交联形成具有动态无机-有机网络结构的KBGO压电水凝胶，使其具有优异的可注射性和自愈合能力。与聚合物链形成有效键合的KBTO压电纳米颗粒在KBGO水凝胶内均匀分布，赋予了压电水凝胶良好的力-电响应性能，在超声空化效应产生的适当压力下，0.1KBGO压电水凝胶具有稳定且成骨友好的输出电压。 2. 在超声作用下，KBGO压电水凝胶产生的压电刺激使细胞膜去极化，导致膜表面钙通道开放，钙离子内流激活了PI3K/AKT和MEK/ERK信号通路，从而使下游的Runx2表达上调，Runx2可以结合特定的DNA序列来调节各种成骨相关基因的转录，上调OCN、OPN、COL-I等基因及蛋白的表达，促进BMSCs成骨分化。 3. 构建大鼠颅骨临界骨缺损模型并原位注射KBGO水凝胶联合超声作用，局部电刺激的存在能够促进SD大鼠颅骨缺损的修复，加速骨愈合过程，且具有良好的体内生物安全性。 四、创见与创新 1. 以明胶/氧化硫酸软骨素为基质，复合钛酸钡压电纳米颗粒，设计研发具有适配不规则骨缺损形态及仿骨力-电响应特性的钛酸钡可注射压电水凝胶骨修复材料，为开发骨再生新材料提供新思路。 2. 压电水凝胶响应超声产生成骨友好的电刺激微环境，构建材料力-电响应微环境/细胞共培养模型，探索压电刺激促进BMSCs成骨分化的作用及机制，为临床发展具有力-电响应功能的新型骨修复材料奠定理论基础。 五、社会效益 本项目的研究成果为临床开发具有力-电响应功能的新型骨修复材料提供了一种创新策略。 研究成果已在高水平杂志Chemical Engineering Journal (IF=16.744)及Journal of Materials Science: Materials in Medicine (IF=4.727)各发表论文一篇；申请发明专利1项；共培养研究生5名，其中博士研究生2名，硕士研究生3名。