近日，山东第一医科大学医学科技创新中心/口腔医学院李宁波副教授团队，在中科院一区TOP期刊 《Advanced Science》 （IF=14.1）发表题为“Force-Electric Nanotentacles of Tantalum Implant Accelerate Cellular Energy Metabolism/Crosstalk for Immunomodulation-Vascularized Bone Integration”（钽植入物的力电纳米触手加速细胞能量代谢/免疫调节-血管化骨整合）的研究论文。课题组张太兴为第一作者，医学科技创新中心李宁波副教授、附属省立医院口腔科王智强教授和北京大学口腔医学院韩冰教授为共同通讯作者，山东第一医科大学为第一单位。
承重骨植入物的远期失效突显了传统生物材料的一个根本性局限：它们的单功能设计未能复刻机械、血管生成和免疫调节线索之间的动态、多功能串扰，而这种串扰是天然骨稳态和再生的基础。在临床层面，稳定和持久的骨整合代表了植入治疗的核心生物学功能，是支撑着长期的载荷传递、机械稳定性和功能康复的前提。然而，临床上仍面临诸多挑战，包括大节段性缺陷、骨质疏松性骨的骨整合效果不佳以及翻修手术失败率居高不下。这些问题主要源于有效骨再生所需的紧密协调的生物过程的破坏。天然骨愈合体现了一种高度协调的级联反应，其中免疫调节、血管生成和成骨过程在动态、多尺度网络中时空协同。尽管传统的金属植入物提供了出色的机械支持，但它们的生物被动性往往导致骨整合延迟、血管生成不足和骨-植入物界面持续炎症。尽管已经探索了生物活性涂层、生长因子递送和表面纳米工程等策略，但其中大多数仍然是被动或靶向孤立的途径，限制了它们协调骨再生所需的复杂细胞串扰的能力。这些挑战凸显了对能够主动编程植入物周围微环境的新一代智能植入物的需求。
研究团队通过激光纳米制造和原位反应制造了一种具有力电LiTaO₃纳米触手的超声激活Ta植入物，并揭示了多层次分子机制的血管化骨再生。在可控的低脉冲超声处理（LIPUS）刺激下，力电纳米触手将机械刺激转化为局部生物电信号，并提供纳米锚定位点。在BMSCs中，这种刺激诱导Ca²⁺内流，激活PI3K-AKT信号通路，增加线粒体ATP的产生，促进成骨分化。同时，整合素介导的PI3K-AKT激活促使巨噬细胞向M2表型极化，建立了一个积极的促骨再生免疫调节微环境，而巨噬细胞衍生的旁分泌信号通过ECM-整合素-FAK轴进一步增强成骨作用。在HUVEC中，Ca²⁺-依赖性eNOS/NO信号传导增强，而线粒体ATP产生增加促进血管生成。通过协调调节巨噬细胞极化、成骨分化和内皮激活，压电植入物建立了一个再生的活性微环境，促进了耦合的血管生成和成骨。与之前报道的主要关注成骨分化的压电植入系统不同，力-电Ta植入物通过生物能量调节和协调的免疫-血管-骨串扰实现了实时、可控的多功能组织再生。通过不断将生理机械刺激转化为局部生物电信号，这种仿生策略为患者个性化承重骨关节假体和牙种植体的稳定和长期骨整合提供了一个有前景的平台。有必要使用更大的动物模型和临床相关的植入物配置进行进一步的研究，以评估这种力电植入系统的长期安全性、耐用性和转化可行性。
该研究突破了传统钽植体主要依赖材料自身生物活性和表面结构被动调控骨整合的模式，提出了基于LiTaO₃原位构建的钽基力–电响应界面新策略，实现了外源机械刺激向局部生物电信号的有效转换，并进一步调控细胞能量代谢及免疫、血管和成骨等关键生物学过程。通过构建“力–电耦合—细胞能量代谢—免疫调控—血管化骨整合”的作用机制，拓展了压电生物材料在骨–植体界面主动调控中的作用模式，为智能力–电响应骨修复材料设计、骨组织再生及高稳定性植体界面构建提供了新的研究思路。同时，该研究以具有良好临床应用基础的钽金属为基体，结合LiTaO₃压电功能相的原位构建，为新一代智能化、主动响应型口腔及骨科植入器械的研发与转化提供了重要理论与技术基础。
新型力电钽植入物的制备、压电激活和多水平骨血管生成免疫调节机制的示意图
李宁波副教授作为校（院）骨干人才，博士后合作导师，其课题组一直聚焦于“智能材料促骨修复与再生功能机制及临床应用”的交叉学科研究。团队研究深耕临床问题，设计超声可控刺激的力-电响应超细纳米胞内功能-递送系统，促使骨修复由“静态植入体”进化到“AI智能动态”骨再生时代。本工作是基于前期研究基础的系列工作之一，相关专利技术正在商业化研发（三类医疗器械申报）中。团队至今已在Bioactive Materials, Advanced Science等高水平专业杂志上发表SCI论文40余篇，相关技术申请国家发明专利15项，目前已转化2项、共531万元。
该研究获得国家重点研发计划（2024YFC2510702）、国家自然科学基金（52473120）、山东省重点研发计划（2024CXGC010610）、山东省自然科学基金（ZR2024QB343、ZR2024QE207、ZR2024QE204）等基金的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.77514
