来源：“Research科学研究”微信公众号
苏州大学方剑教授团队针对近几年兴起的压电电刺激在调节细胞行为上的应用，总结了静电纺压电聚合物纳米纤维所提供的电刺激用于组织再生的研究进展，对比了基于压电纳米纤维的电刺激施加方式，并深入探讨了不同电刺激施加体系在调节细胞形貌、增殖和分化上的优缺点。相关成果以“Electrical Stimulation Enabled via Electrospun Piezoelectric Polymeric Nanofibers for Tissue Regeneration”为题发表在Research上。
Citation:
(资料图片)
Guangbo Xia, Beibei Song, and Jian Fang, “Electrical Stimulation Enabled via Electrospun Piezoelectric Polymeric Nanofibers for Tissue Regeneration”, Research, Vol. 2022, Article ID 9896274, 23 pages,https://doi.org/10.34133/2022/9896274
研究背景
电信号刺激在用于体外调节细胞活动和体内组织再生方面已表现出显著的有效性。通常电刺激的施加是通过电极、电池和连接导线以一种侵入性的方式实现的，这种繁琐的组件配置和可能造成的感染阻碍了电刺激技术在再生治疗中的应用。压电聚合物能够以一种无线的方式收集来自生物体或者外部的机械震动来充当自供电系统的能量输入，另外，压电聚合物的轻柔性质有利于与生物体的结合，这些特点可以有效克服传统电刺激施加的限制。静电纺丝技术将机械拉伸与自发电极化相结合，能够一步制备具有压电性能的聚合物纳米纤维，这种纳米纤维结构可以模拟细胞外基质中的胶原纤维，响应微弱的机械力，并在细胞水平上产生局部的电刺激。利用静电纺压电聚合物纳米纤维作为无线的电刺激器构成了一种有广阔应用前景的电刺激施加技术。
研究进展
本文深入分析了压电聚合物纳米纤维的激活策略及纳米纤维产生的电刺激与细胞的相互作用（图1）。
图1 压电聚合物纳米纤维的激活策略以及原位电刺激与组织再生细胞的相互作用。
首先，简要说明了压电聚合物、静电纺丝技术以及静电纺压电聚合物纳米纤维在组织再生中的优点。随后，详细阐述了压电聚合物纳米纤维的激活策略，包括细胞牵引、生理活动和超声激发（图2），并进一步介绍了压电电刺激和非电/电兴奋细胞之间相互作用的基本原理和最新应用进展（图3）。
细胞牵引（a–e）：（a）细胞与纳米纤维接触，（b）局部粘附，（c）细胞铺展，（d）纳米纤维网络重组，（e）同位电刺激；身体活动和生理环境：（f）在不同生理状态下由心脏和血液脉动引起的压电信号；超声波激发（g，h）：（g）超声波的波形，（h）超声激发压电材料所产生的电信号
图2 压电聚合物纳米纤维的电信号诱导策略
（a-d）电兴奋细胞：（a）ES下神经细胞的细胞形态，（b）ES下干细胞的神经分化，（c）ES下脊柱修复，（d）肌肉细胞的形态和维持；（e–g）非电兴奋细胞：（e）ES下骨细胞的细胞粘附和增殖，（f）干细胞的骨分化和ES下的骨修复，（g）ES下肝细胞的体内再生治疗；缩写：MNF：磁性纳米薄膜
图3 对电和非电兴奋细胞的电刺激
接着，定量分析了通过各种激活策略提供的电刺激对各种细胞类型的影响，以评估哪些压电电刺激体系对特定类型的细胞和特定细胞过程更有效（图4）。
（a）使用各种压电系统对细胞增殖、分化和形态调节的ES效应；（b）细胞牵引-压电纳米纤维系统对（I）电兴奋细胞和（II）非电兴奋细胞的ES效应；（c）生理活动-压电纳米纤维系统对非电兴奋细胞的ES效应；（d）超声-压电纳米纤维系统对非电兴奋细胞的ES效应
图4 使用各种压电系统对各种细胞的电刺激（ES）效果的定量比较
最后，总结了静电纺压电纳米纤维在生物应用中的缺点，并在静电纺丝参数优化、一维/二维复合材料杂化、表面改性和为细胞-支架系统选择细胞等方面提出对应的解决方案。从电活性纳米纤维的激活、细胞对压电电刺激反应的分子机制到对不同细胞系细胞的调控，该综述有助于加强读者对压电纳米纤维与细胞相互作用的理解，并能够在不同的环节给予后续研究一定的引导。
未来展望
通过静电纺压电纳米纤维为细胞或者生物组织施加电刺激已得到广泛的关注。然而，由于压电聚合物作为组织支架的固有缺陷和移植过程中潜在的问题，一个模拟细胞外基质（ECM）、用于体外研究和体内应用的系统模型仍然缺失。为此，必须通过一系列提升来保证压电聚合物支架的优化及其临床转化：（i）增强压电性能，（ii）表面图案和3D结构设计，（iii）抗菌处理，（iv）改善细胞粘附的表面性质，以及（v）干细胞治疗和辅助生长细胞预先接种。其中，用于体外研究模型所需要的显著电刺激和有效电信号传输要求在步骤（i）到（iv）进行优化。而对于体内模型，所有的优化方面都需要涉及。例如，表面的取向形貌有利于组织的快速形成，而3D支架对于大体积组织（如脊髓）受损是必要的。总的来说，其中一些优化步骤已经达到了相对较高的成熟度，其他的仍然处于研究的初级阶段，需要为临床目的进一步探索。希望未来的努力会带来更理想的结果，从而将这一新技术转化为实际的临床治疗手段。
作者简介
方剑，苏州大学纺织与服装工程学院特聘教授，博士生导师。长期从事功能性纤维材料、柔性可穿戴智能纺织品、和高性能纺织品研究。入选第十五批“海外高层次人才计划”青年项目，2019年入选“姑苏创新领军人才”计划，2020年入选江苏省“双创人才”。现任中国纺织工业联合会纺织行业智能纺织服装柔性器件重点实验室主任，中国纺织工程学会青年工作委员会委员，中国工程院院刊《Engineering》青年通讯专家，《Advanced Fiber Materials》和《eScience》青年编委。迄今已在Energy&Environmental Science，Advanced Materials, Nature Communications，Nano Energy，Applied Catalysis B：Environmental等国内外学术期刊发表文章90余篇。
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