从软骨“缺电”说起：为什么需要可降解“自供电贴片”？

软骨是一种高度依赖力学电信号维持功能的组织，其压电特性与胶原变形密切相关，能够通过机械应变诱导应变电位（SGP），进而激活细胞信号通路、调控细胞分化与基质生成。在骨关节炎（OA）患者中，这种天然电刺激环境被严重破坏，造成软骨再生极为缓慢甚至不可逆退化。

为此，科学界提出利用可植入的生物电子器件在人体运动过程中产成电荷，以模拟SGP，辅助修复软骨。尽管现有压电、摩擦电贴片等装置已在动物实验中初现疗效，但其存在体内电荷输出不足、依赖外部激发、降解性和刺激强度存在矛盾等问题，严重制约了其临床转化。

创新设计：压电+摩擦电协同，材料与结构协同

2025年7月1日，浙江大学信电学院骆季奎教授、浙江大学医学院附属第二医院冯刚教授、中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士等团队在《ACS Nano》期刊发表题为《Biodegradable Piezo-triboelectric Charge Nanogenerator Patch for Cartilage Regeneration》的最新研究成果（DOI: 10.1021/acsnano.4c18811），共同第一作者为张凯航和吴怡梵。团队开发出一种植入式可降解压电-摩擦电耦合纳米发电贴片（PTEG），可在关节运动过程中自发产生电荷，恢复软骨天然电环境，从而显著促进软骨再生，为骨关节炎治疗提供了一种“无需外源供能”的全新策略。

本研究提出的PTEG贴片在设计上融合了结构增强与材料功能两大策略。其核心结构采用了3D打印反模配合温度梯度冷冻干燥（IMFD）工艺，构筑出宏观金字塔和微观多孔结构的双层膜材料，一层为掺杂六方氮化硼纳米片（BNNS）的聚乙烯醇（PVA）膜，一层为明胶膜，从而极大提升了表面接触面积和摩擦电效应。

图1 可降解PTEG及其电荷介导的骨关节炎治疗机制示意图

更重要的是，BNNS在PVA膜中实现了垂直取向排列，赋予其无需极化即具压电性能，压电系数高达24.3 pC N^-1。宏观形貌增强了摩擦电，微观结构激发了压电，二者耦合产出的单位面积电荷密度达到了体外的242 μCm^-2、体内的84 μCm^-2，超过现有可植入发电装置一个数量级以上。

图2 PTEG的生物降解性与输出变化

此外，PTEG器件表现出良好的可控降解性（15~60天）、优异的生物相容性与组织适配性，无明显免疫反应或器官毒性。

植入式贴片：“走路即可发电”，软骨再生显著提升

该贴片可以通过关节运动产生机械压力，实现自发电。在OA模型大鼠中，研究人员将贴片植入膝关腔内，并每日进行30分钟跑步刺激。实验显示，PTEG贴片显著促进了骨髓间充质干细胞（BMSCs）迁移，增强了细胞钙离子内流，并上调了软骨分化标志基因（SOX9、COL2、ACAN）表达。

组织切片显示，PTEG组大鼠在4~8周时的关节软骨形貌保持良好，胶原分布均匀，骨赘体积明显减少。相比对照组，骨赘体积减少近50%，OARSI评分显著下降，再生软骨中COL2和ACAN含量显著升高。

图3 PTEG在骨关节炎大鼠模型中的治疗效果

走向“植入即忘”的新一代生物电子治疗

与依赖外部能量源或遗传调控的传统方法不同，本研究提出的PTEG贴片依靠患者自然运动驱动，自动激活电治疗信号，实现“无电池、无导线、可吸收”的软骨电刺激治疗路径。

研究团队指出，这一工作不仅突破了生物电子领域长期以来对“电输出+生物降解”的双重瓶颈，也为运动诱导式个性化医疗提供了全新解决思路。后续研究将系统探索“电荷剂量-修复效率”的量化关系，推动个性化自供能治疗方案的临床落地。

原文链接：

http://10.1021/acsnano.4c18811