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  骨缺損是臨床常見骨科疾病，主要由創傷、腫瘤切除或感染等因素導致。目前治療方法包括自體骨移植、異體移植和人工骨替代材料，但后者普遍存在生物活性不足等問題。研究表明，微電流刺激可有效促進骨組織再生。明膠作為天然膠原蛋白衍生物，具有優異的生物相容性和仿生特性，是理想的骨修復支架材料。本研究通過開發基于明膠的導電復合水凝膠，結合微電流刺激技術，為骨缺損修復提供創新解決方案。

  近日，哈爾濱工業大學冷勁松教授團隊與哈爾濱醫科大學附屬第二醫院骨科徐公平教授團隊與合作在《COMPOSITES PART A-APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING》上發表了題為《A conductive composite hydrogel for promoting bone defect regeneration through microcurrent stimulation》的研究論文，博士生耿強旺和付慧超為共同第一作者，冷勁松教授、徐公平教授和張風華研究員為共同通訊作者。論文創新性地將碳納米管（CNTs）和氧化石墨烯（GO）引入明膠/聚丙烯酰胺雙網絡水凝膠體系，成功構建了具有導電特性的復合水凝膠。通過模擬計算和實驗驗證，確定CNTs是最佳納米填料。該CNTs摻雜復合水凝膠不僅具有優異的生物相容性，在植入顱骨缺損動物模型并經電刺激后，更能顯著促進骨組織修復。該水凝膠為骨修復手術中面臨的供體材料稀缺和術后感染風險等臨床難題提供了創新性解決方案。

  本研究通過自由基聚合法成功構建了明膠-丙烯酰胺-碳納米管導電水凝膠體系（圖1）。對比研究發現，與石墨烯復合體系相比，碳納米管復合水凝膠展現出顯著增強的導電性能和電荷轉移效率。基于密度泛函理論的第一性原理計算結合體外實驗驗證，優化了過硫酸鉀引發劑的最佳濃度。力學性能測試表明，該水凝膠具有與天然骨組織相匹配的壓縮模量和循環載荷穩定性。在動物實驗中采用臨界尺寸顱骨缺損模型，通過顯微CT三維重建及組織學分析證實：在特定微電流刺激條件下，含0.75%碳納米管的實驗組在術后8周實現缺損區域完全骨性愈合，新生骨體積分數較對照組顯著提升。免疫熒光染色顯示實驗組成骨相關標志物表達量顯著上調，表明該材料可通過激活成骨細胞分化通路促進骨再生。本研究為開發新型電活性骨修復材料提供了重要的理論依據和實驗基礎。

圖1.導電水凝膠的合成過程示意圖及其電刺激促進顱骨修復

  本研究采用蒙特卡羅模擬方法對氧化石墨烯復合水凝膠與碳納米管復合水凝膠的導電性能進行了系統研究（圖2a-c）。基于霍爾效應的測試結果表明（圖2d-e），碳納米管復合水凝膠的電導率隨CNT含量增加呈現指數型增長趨勢，而氧化石墨烯復合水凝膠則表現出線性增長特征。當含量為0.75%（質量分數）時，碳納米管復合水凝膠的電導率達4.2×10^-5 S/m，較氧化石墨烯復合水凝膠（1.1×10^-5 S/m）提高約3.8倍；當含量提升至1.0%（質量分數）時，兩者導電性能差異進一步擴大至10.2倍。通過計算機模擬與實驗測量的協同驗證，證實碳納米管復合水凝膠在本研究條件下具有更優異的導電性能，這一發現為功能性骨修復材料的開發提供了重要實驗依據。

圖2.蒙特-卡爾導電性模擬以及霍爾效應測試

  研究表明，G-A-CNTs導電水凝膠展現出優異的性能穩定性。通過循環拉伸測試證實，該材料在2000次拉伸-回復循環后仍保持穩定的電阻響應，顯示出卓越的導電耐久性(圖3a)。溶脹實驗結果表明碳納米管的引入對水凝膠溶脹行為影響較小，體系在7小時后達到溶脹平衡(圖3b)。力學性能測試顯示，隨著CNTs含量從0.75 wt%增至1.0 wt%，水凝膠拉伸強度由0.23 MPa提升至0.24 MPa，而斷裂伸長率則從205%降至188%，表明材料剛性增強而韌性略有降低(圖3c)。流變學分析進一步證實，水凝膠的儲能模量（G''）和損耗模量（G''''）均在CNTs含量為0.75 wt%時達到最大值(圖3d)。綜合各項性能指標，0.75 wt% CNTs含量的G-A-CNTs水凝膠展現出最優的綜合性能。

圖3.導電穩定性測試，力學性能測試、溶脹測試以及流變測試

  本研究通過分子生物學實驗系統評估了G-A-CNTs水凝膠的成骨誘導性能。RT-qPCR和Western blot分析結果表明，含0.75% CNTs的G-A-CNTs水凝膠能顯著上調骨髓間充質干細胞中堿性磷酸酶（ALP）、Runt相關轉錄因子2（Runx2）和骨鈣素（OCN）等關鍵成骨標志物的基因和蛋白表達水平（p<0.01）(圖4a-g)。機制研究揭示，該水凝膠通過電刺激作用促進鈣離子內流，提高細胞內Ca2?濃度，進而協同激活PI3K/AKT、MAPK和Wnt/β-catenin等多條信號通路(圖4h)。這種多通路協同調控作用最終促進成骨相關基因的轉錄表達，誘導骨髓間充質干細胞向成骨細胞定向分化。實驗數據充分證實，0.75% CNTs含量的G-A-CNTs水凝膠具有優異的骨誘導活性，其通過電-化學耦合作用機制有效促進骨再生。

圖4. 成骨基因和蛋白表達水平以及電刺激骨愈合機制示意圖

  本研究通過動物實驗系統評估了G-A-CNTs導電水凝膠對顱骨缺損修復的促進作用。手術植入大鼠顱骨缺損部位后，實驗組每日接受400 mV電壓刺激30分鐘。Micro-CT三維重建（圖5a）顯示，空白對照組和單純水凝膠組在12周后僅見缺損邊緣少量新骨形成（圖5b）；而0.75% G-A-CNTs組新骨幾乎完全覆蓋缺損區域。定量分析表明（圖5c-d），隨著CNTs含量增加，骨體積分數（BV/TV）和骨礦物密度（BMD）顯著提升，在0.75% CNTs時達到峰值（p<0.01）。組織學分析進一步證實，CNTs摻雜的導電水凝膠通過協同微電流刺激顯著促進成骨，其修復效果呈現濃度依賴性。這些結果充分證明，0.75% CNTs含量的G-A-CNTs導電水凝膠能有效促進骨組織再生，為骨缺損修復提供了新的治療策略。

圖5. 顱骨缺損部位的Macro-CT及其定量分析

  本項研究為骨缺損修復提供了一種創新的電活性水凝膠治療策略。通過引入碳納米管構建導電網絡，成功開發了一種新型骨修復水凝膠，顯著提升了材料的導電性能和力學強度，在微電流刺激下有效促進了顱骨缺損的再生修復。該研究為解決傳統骨修復材料生物活性不足和感染風險等問題提供了新思路，也為電活性生物材料的開發和應用提供了重要參考。未來，這種導電水凝膠技術有望拓展應用于更多類型的骨缺損修復，為骨組織工程提供更有效的治療選擇。

作者簡介

  冷勁松教授團隊長期從事于智能材料結構及其應用研究。在航天領域，研制了基于形狀記憶聚合物復合材料的可展開鉸鏈、桁架、重力梯度桿、天線、太陽能電池、離軌帆、鎖緊釋放機構等智能結構 (Chemical Engineering Journal, 2025, 505, 159558; Small, 2023, 2307244; Sci. China. Technol. Sc., 2020, 63, 1436–1451; Smart Mater. Struct., 2022, 31, 025021; Compos. Struct., 2022, 280, 114918; AIAA J., 2021, 59, 2200-2213; Compos. Struct., 2022, 290, 115513; Compos. Struct., 2020, 232, 111561; Compos. Struct., 2019, 223, 110936.)，可應用于各種衛星平臺、空間站、探月工程、深空探測工程等。設計制備了構型、力學性能可調節、可重構的拉脹力學超材料和像素力學超材料 (Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2312036.; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795)。在生物領域，基于形狀記憶聚合物等智能材料開發了多種智能生物支架和人工假體 (Adv. Funct. Mater. 2025, 2412533.; Advanced Fiber Materials, 2023, 5, 632-649; Research, 2023, 6, 0234; Biomaterials, 2022, 291, 121886; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 42568-42577; Compos. Sci. Technology, 2021, 203, 108563; Compos. Part A-Appl. S., 2019, 125, 105571; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1906569)。冷勁松院士團隊自主設計并研制的基于形狀記憶聚合物的中國國旗鎖緊展開機構，于2021年5月在天問一號上成功展開，使我國成為世界上首個將基于形狀記憶聚合物復合材料的智能結構應用于深空探測工程的國家 (Smart Mater. Struct., 2022, 31, 115008. )。

  徐公平教授團隊長期致力于脊柱外科疾病的臨床診療與技術創新研究，在頸椎病、復雜腰椎間盤突出癥、脊柱腫瘤、脊柱感染及脊柱畸形等疾病的微創手術治療與脊柱重建領域，形成了系統的診療方案，積累了豐富的臨床實踐經驗，臨床療效確切。近年來，團隊聚焦醫工交叉領域的前沿問題，針對骨再生與骨修復的關鍵科學問題，開展新型生物材料的基礎與轉化研究，相關成果已取得階段性突破，近三年在國際期刊發表多篇SCI論文，為骨再生領域的技術創新與基礎研究提供了重要支撐。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2025.109205