Nature子刊：邓旭亮/张学慧/陈莉莉等合作开发原位激活柔性磁电膜，用于增强骨缺损修复

对于合并症条件下的骨缺损修复，使用可无创调控的生物材料是非常必要的，以避免进一步的并发症并促进成骨。然而，在临床应用中，使用刺激响应材料实现有效的成骨仍然是一个巨大的挑战。

2023年7月10日，北京大学邓旭亮、张学慧、华中科技大学陈莉莉及中山大学Huang Houbing共同通讯在Nature Communications 发表题为“In situ activation of flexible magnetoelectric membrane enhances bone defect repair”的研究论文，该研究开发了极化CoFe₂O₄@BaTiO₃/聚(偏二氟乙烯)[P(VDF-TrFE)]核-壳粒子复合膜，具有高磁电转换效率，用于激活骨再生。

外加磁场作用于CoFe₂O₄芯，可以提高BaTiO₃壳层的电荷密度，增强P（VDF-TrFE）基体中的β相变。这种能量转换增加了膜表面电位，从而激活了成骨。雄性大鼠的颅骨缺损实验表明，即使地塞米松或脂多糖诱导的炎症引起成骨抑制，重复磁场作用于膜可增强骨缺损的修复。本研究提供了一种利用刺激响应性磁电膜有效激活原位成骨的策略。

另外，2022年7月29日，北京大学邓旭亮，张学慧及南京理工大学汪尧进共同通讯（南京理工大学为第一单位）在Nature Communications 在线发表题为“Pyro-catalysis for tooth whitening via oral  temperature fluctuation” 的研究论文，该研究在冷却/加热循环下，通过热催化对有机染料进行降解，以模拟与摄入和说话引起的相关的自然温度波动。用热释电粒子包埋的水凝胶，在周围温度波动不大的情况下，可以使经常被饮料和调味品染色的牙齿变白。此外，以热催化为基础的牙齿美白作用表现出显著的治疗性的生物安全性和可持续性。总之，基于这一研究，最普遍的口腔温度波动将使基于热催化的牙齿美白策略具有巨大的实际应用潜力（点击阅读）。

2022年2月3日，北京航空航天大学江雷院士、郭林教授（通讯作者）、北京大学口腔医院邓旭亮教授（通讯作者）和美国密歇根大学生物界面研究所Nicholas A. Kotov教授（通讯作者）团队合作（北京航空航天大学赵赫威副教授、Liu Shaojia、岳永海教授和北京大学口腔医学院卫彦教授为论文的共同第一作者）在Science 在线发表题为”Multiscale engineered artificial tooth enamel“的研究论文，该研究通过组装与聚乙烯醇交织的无定形晶间相 (AIP) 涂层羟基磷灰石纳米线，设计了一种具有多尺度基本层次结构的牙釉质类似物。 纳米复合材料同时表现出高刚度、硬度、强度、粘弹性和韧性，超过了搪瓷和以前制造的大块搪瓷启发材料的性能。AIP 的存在、聚合物限制和强大的界面粘附都是高机械性能所必需的。这种多尺度设计适用于高性能材料的规模化生产（点击阅读）。

合并症，如伤口感染、糖尿病、骨质疏松症等，往往给临床骨缺损修复带来诸多困难。在这种合并症条件下，最好去除模拟骨结构和组成的植入生物材料，以防止进一步的并发症，这可能导致修复失败或愈合延迟。因此，非常需要一种具有原位重新激活骨再生能力的刺激响应性生物材料，用于骨缺损修复，并产生意想不到的合并症。

重建伤口/损伤部位正常的生理电微环境，可有效促进骨缺损修复。与凝胶、支架或颗粒等生物材料相比，覆盖骨缺损的带电膜可以维持愈合空间，并诱导成骨和血管形成，因此具有临床应用前景。此外，在完全骨愈合后，可以轻松去除不可吸收的带电膜，而不会产生任何残留物质。同时，在遇到合并症时重新激活骨再生需要可以按需调节带电的植入膜。因此，必须开发一种具有高能量转换效率的刺激响应可充电膜，以实现有效的骨再生和意想不到的合并症。

磁电材料具有通过磁场调制调节电性能的独特能力。然而，由于它们的显着毒性，它们很少在生物领域使用过。嵌入在压电基质中的CoFe₂O₄粒子制成的磁电膜表现出良好的生物相容性，并具有适合骨再生所需的电性能，但由于其相对较低的磁电耦合，很难重新激活并准确地为骨缺损修复提供最佳的原位电微环境。多相结构磁电材料有望具有较高的界面耦合效率，因此可以通过外加磁场更有效地调节其电性能，从而方便地激活其促成骨作用。

CoFe₂O₄@BaTiO₃/P(VDF-TrFE)膜的设计和工作机制，可在磁场激活后根据指令增强骨诱导（图源自Nature Communications）

本研究制备了极化柔性CoFe₂O₄@BaTiO₃/P（VDF-TrFE）核壳颗粒掺入复合膜（CSCM）。CoFe₂O₄@BaTiO₃纳米粒子的核壳晶格结构可以增强膜的磁电耦合。结果表明，显著增加的BTO壳层电荷密度显著增强了P(VDF-TrFE)的可逆β相变，导致CSCM在磁场加载下的最大复极化。动物模型证实，在炎症条件下或成骨被抑制时，CSCM可重新激活用于骨再生的电微环境。与其他非侵入性刺激响应材料(如光热材料、声动力材料等)相比，CSCM具有重复激活的能力，即使在共病条件下也表现出更高的成骨效率。因此，使用刺激响应型磁电耦合膜，通过外部磁场进行再供电，为组织再生开辟了一条途径，并显示出良好的临床应用发展潜力。

参考消息：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-39744-3