针对上述问题，复旦大学祁胜财教授等人提出一种基于柔性压电薄膜和导电聚合物网络的仿生导电集成种植体周围牙龈（PiG），具有抗菌和软组织整合功能。PiG的压电性通过聚偏二氟乙烯/BaTiO₃/MXene在聚多巴胺改性的等离子体活化Ti表面上的静电纺丝实现，导电性能通过3,4-乙烯二氧噻吩单体的原位聚合实现。超声照射下，PiG可促进中性粒细胞胞外陷阱和活性氧的形成，实现对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的协同高效压电杀伤（图1）。此外，压电电刺激使PiG具有增强的成纤维细胞粘附、增殖和胶原蛋白分泌（图2）。在大鼠皮下植入模型中，超声照射的PiG移植物可有效消除金黄色葡萄球菌感染，并通过增加软组织整合来挽救植入物（图3）。相关成果以《An Artificial Piezoelectric-Conductive Integrated Peri-Implant Gingiva Enables Efficient Bacterial Inhibition and Soft-Tissue Integration》为题于2025年4月24日发表在《Advanced Fiber Materials》。（DOI：10.1007/s42765-025-00543-8）

研究示意图

（1）PiG的制造和表征

制备钛基底上压-导电集成PiG的过程：先用砂纸和等离子体处理Ti基底，使其表面粗糙且活化；再将等离子体活化的Ti浸入多巴胺溶液24小时，实现聚多巴胺改性；最后通过静电纺丝工艺，使用聚偏二氟乙烯/MXene/BaTiO₃混合物在钛基底上形成压电层，再对3,4-乙烯二氧噻吩单体进行原位聚合，得到聚（3,4-乙烯二氧噻吩）导电网络，将导电的PEDOT改性的PVDF/MXene/BaTiO₃压电层命名为Ppa-Ti/PMBP。扫描电子显微镜图像显示，等离子体活化的Ti表面粗糙有微纳米沟槽（图1b（ii）），静电纺丝后MXene纳米片和BTO纳米颗粒成功整合到PVDF纤维网络中（图1b（iv）），PEDOT原位自聚后PMB压电层表面形态基本不变，PEDOT导电层覆盖在PVDF纤维表面（图1b（iv）），且PiG复合材料的EDS映射图像显示C、N、O、Ti、F、S和Ba在PVDF基体中分布均匀（图1c）。XRD分析显示Ppa-Ti/PMBP与Ppa-Ti/PMB的衍射峰非常一致，表明PEDOT层沉积不影响PVDF分子链、MXene纳米片或BTO纳米颗粒的晶体结构（图1d）。XPS巡天光谱显示Ppa-Ti/PMBP中存在硫，证实了PEDOT的成功合成（图1e）。PEDOT引入使PiG亲水性提高，有利于细胞粘附和迁移（图1f）。粘附力拉断测试显示等离子体活化和PDA聚合显著增强了PiG与Ti基材之间的粘附力（图1g），主要因Ti衬底、PDA分子和PMBP层间形成众多氢键。

图1 压电-导电集成PiG的制备和表征。（a）Ti衬底上制备PiG过程的示意图。（b）原始Ti、pa-Ti、Ppa-Ti、Ppa - Ti/PBM和Ppa-Ti/PBMP表面形貌的SEM图像，比例尺：（i）和（ii）10μm，（iii）、（iv）和（v）5μm。（c）PiG的SEM图像和EDS映射，比例尺10μm。（d）Ppa-Ti/PVDF、Ppa-Ti/PBM和Ppa-Ti/PBMP的XRD测量光谱。（e）Ppa-Ti/PVDF、Ppa-Ti/PBM和Ppa-Ti/PBMP的XPS巡天光谱和S 2p高分辨率光谱。（f）Ppa-Ti/PBM和Ppa-Ti/PBMP的水接触角。（g）Ti/PVDF、Ti/PDA/PBMP和Ppa-Ti/PBMP的粘合拉拔测试，粘合强度与延伸量（距离）作图，插图为实验装置示意图的详细信息

（2）电性能和US激活的压电催化

PiG作为压电种植体周围涂层，其压电响应对组织再生重要。在1MHz频率、1W/cm²超声辐照下，PiG输出电压约1V（图2a），且PEDOT原位聚合的Ppa-Ti/PBMP输出电压可达约1.2V。随着超声强度从0.5W/cm²增加到1.5W/cm²，Ppa-Ti/PBMP电压输出从约0.3V显著增加到1.5V（图2b）。但过高超声强度对细胞生长有害，故选择1W/cm²超声强度用于后续实验（图2c）。电化学阻抗谱（EIS）显示，Ppa-Ti/PBMP电荷转移电阻显著低于Ppa-Ti/PVDF、Ppa-Ti/PBB和Ppa-Ti/PBM（图2d）。循环伏安法（CV）表明Ppa-Ti/PBMP具有高度可逆的CV波形，无明显副反应，说明其压电稳定性好（图2e）。亚甲蓝实验显示Ppa-Ti/PBMP组吸光度最低，压电催化效率最高（图2f、2g）。电子顺磁共振（EPR）检测到特征四重态峰，表明Ppa-Ti/PBMP在超声激活下产生羟基自由基（图2h）。PiG的活性氧（ROS）生成能力增强归因于压电PBMP纳米纤维表面的高效电荷分离，显示其在压电动力学治疗中的潜力（图2i）。

图2 PiG的压电响应和压电催化活性。（a）Ppa-Ti、Ppa-Ti/PVDF、Ppa-Ti/PBM和Ppa-Ti/PBMP在1W/cm²超声辐射下的输出电压。（b）Ppa-Ti/PBMP在不同强度超声照射下的输出电压。（c）Ppa-Ti/PBMP上培养的NIH/3T3细胞活力，在第1、3、5和7天用不同超声强度处理，数据表示为平均值±标准差。（d）Ppa-Ti/PVDF、Ppa-Ti/PB、Ppa-Ti/PBM和Ppa-Ti/PBMP的奈奎斯特图。（e）Ppa-Ti/PVDF、Ppa-Ti/PB、Ppa-Ti/PBM和Ppa-Ti/PBMP的循环伏安曲线。（f）亚甲蓝氧化示意图。（g）超声照射下不同组亚甲蓝的降解（1W/cm²）和（h）相应的电子顺磁共振测量值。（i）超声照射下PiG上羟基自由基生成的示意图

（3）体外抗菌性能

细菌在种植体表面的定植对种植体相关感染的进展和发病机制起关键作用，从非特异性的可逆附着初级阶段开始，需立即制定战略防止生物膜形成。金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌是种植体周围感染中常见的微生物。实验评估了各种样品的杀菌性能（图3）。活/死染色测定显示，经10分钟超声照射后，Ti、Ti+US和Ti/PiG组均出现绿色荧光，而只有Ti/PiG+US组出现微弱红色荧光，表明该组细菌被杀死（图3a）。Ti、Ti+US和Ti/PiG组对金黄色葡萄球菌或大肠杆菌无抗菌效果，而Ti/PiG+US组表现出强大抗菌特性，约80%的细菌被消除，与活/死染色结果一致（图3b-d）。SEM观察显示，Ti、Ti+US和Ti/PiG组的细菌形态正常、膜结构完整，而Ti/PiG+US组的细菌形态变形、膜收缩（图3e）。这表明单独超声的机械振动对Ti基材上细菌无破坏性影响，而包含压电表面的Ti衬底可捕获超声机械能，通过Ti/PiG促进的高效压电催化将其转化为压电电荷和局部活性氧（ROS），抗菌材料示意图如图3f所示。这种抗菌现象归因于声动力学压电效应大量产生ROS，诱导脂质过氧化改变细菌膜通透性，导致细菌死亡。

图3 Ti/PiG的体外超声激活抗菌性能。（a）经Ti、Ti+US、Ti/PiG或Ti/PiG+US处理后金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的活/死染色，比例尺=100μm。（b）金黄色葡萄球菌和大肠杆菌菌落培养物经Ti、Ti+US、Ti/PiG或Ti/PiG+US处理后的代表性图像。（c、d）Ti、Ti+US、Ti/PiG和Ti/PiG+US处理后对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率。（e）金黄色葡萄球菌和大肠杆菌经Ti、Ti+US、Ti/PiG和Ti/PiG+US处理后的SEM图像，比例尺=1μm。（f）超声照射下Ti/PiG的抗菌机制示意图

（4）US触发的Ti/PiG诱导的NETs形成具有增强的抗菌效率

激活后，中性粒细胞可通过排出核物质形成NETs捕获和杀死入侵细菌。图4a展示了NETs与压电材料协同抗菌效果的示意图。Ti/PiG+US组中性粒细胞的髓过氧化物酶（MPO）基因表达增加，而其他三组NETs基因无显著表达（图4b）。这可能是超声诱导Ti/PiG产生电刺激，改变中性粒细胞膜电位并促进钙内流，增加ROS数量，从而导致NETs产生。尽管Ti+US组对中性粒细胞进行了超声诱导和机械刺激，但NETs形成仅发生在Ti/PiG+US组，表明NETs诱导依赖于超声介导的电刺激。这些发现强调了Ti/PiG与超声电刺激在介导NETs释放中的关键作用，为压电材料形成NETs的潜在机制提供了见解。

为了探索Ti/PiG+US和超声诱导的NETs的协同抗菌作用，建立了结合材料、中性粒细胞和细菌的共培养系统（图4c）。如图4d所示，细菌在Ti、Ti+US和Ti/PiG组中培养时，菌落数量无显著变化，这些组不能产生抗菌ROS或诱导NETs。然而，与未添加中性粒细胞的情况相比，菌落计数有所减少，表明中性粒细胞本身具有一定的抗菌作用。在Ti/PiG+US组中，细菌菌落数量显著减少，这可能是由于NETs与Ti/PiG+US产生的ROS的协同杀菌作用（图4e、f）。这显著提高了Ti/PiG的杀菌效果，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率接近99%。这些发现表明，压电材料和中性粒细胞仅在超声条件下才表现出协同抗菌作用，NETs能有效中和细菌病原体，实现几乎完全的细菌根除。

图4 Ti/PiG + US诱导的NETs形成及抗菌效率增强。（a）中性粒细胞活化和NET释放的示意图。（b）经Ti、Ti+US、Ti/PiG或Ti/PiG+US处理后体外NETs形成，比例尺=50μm。（c）评估Ti/PiG+US联合NETs抗菌潜力的共培养系统方案。（d）金黄色葡萄球菌和大肠杆菌细菌菌落的代表性图像，显示中性粒细胞的存在。（e、f）中性粒细胞对Ti、Ti+US处理的抗菌率

（5）成纤维细胞行为测定

成纤维细胞在种植体周围软组织闭合过程中起关键作用。SEM图像显示，接种在Ti和Ti+US组的成纤维细胞呈椭圆形，无拉伸；Ti/PiG组的成纤维细胞开始伸长，而Ti/PiG+US组的成纤维细胞扩散更明显、拉伸更显著（图5a）。这表明成纤维细胞的初始扩散和粘附受Ti/PiG拓扑特征影响，超声照射后Ti/PiG产生的电信号进一步增强了成纤维细胞的延伸和粘附。活/死染色的活力测定结果表明，超声激活的压电催化抗菌疗法对正常组织和细胞安全，对NIH-3T3细胞活力影响可忽略不计，细胞存活率在超声照射后保持在99%以上（图5b）。CCK-8测定结果显示，所有组中NIH-3T3细胞活力在1天内保持不变，但在3、5和7天后，Ti/PiG和Ti/PiG+US组的细胞活力增加，表明压电亲水地形促进成纤维细胞增殖，且Ti/PiG+US组增殖更显著，归因于电刺激的协同作用（图5c）。黏着斑蛋白染色显示，Ti/PiG+US组的黏着斑蛋白表达水平高于其他三组，表明电刺激促进细胞良好附着（图5d、f）。免疫荧光染色显示，Ti/PiG+US组对胶原蛋白形成有刺激作用（图5e、g）。超声处理下Ti/PiG+US对体外NIH/3T3细胞影响的示意图如图5h所示。这些发现证实了Ti/PiG+US组对成纤维细胞功能表达的有益影响，可增强植入物与邻近软组织的生物整合。

图5 Ti/PiG+US对体外NIH/3T3细胞的影响。（a）在超声存在下，Ti、Ti+US、Ti/PiG和Ti/PiG+US表面的NIH/3T3细胞的SEM图像，比例尺=10μm。（b）用Ti、Ti+US、Ti/PiG和Ti/PiG+US处理后NIH/3T3细胞的活/死染色，比例尺=200μm。（c）用CCK-8测定定量评估NIH/3T3细胞活力。（d）荧光染色显示PiG和Ti/PiG+US的细胞形态，比例尺=200μm。（e）用Ti、Ti+US、Ti/PiG和Ti/PiG+US处理后NIH/3T3细胞中Col-1的荧光染色，比例尺=200μm。（f、g）黏着斑蛋白和Col-1荧光染色的定量评估。（h）超声处理下Ti/PiG+US对NIH/3T3细胞体外影响的示意图

（6）体内实验

Ti基种植体周围软组织易受细菌感染，增加种植体失败风险。为评估Ti/PiG在体内感染模型中的抗菌效果，进行了实验。抗感染实验装置示意图如图6a所示。超声照射参数为1W/cm²强度、1MHz频率，持续10分钟。术后第3天和第7天拍摄各组感染部位照片（图6b、c）。肉眼观察显示Ti、Ti+US和Ti/PiG组感染创面严重化脓和水肿，而Ti/PiG+US组伤口无明显分泌物或脓性，炎症反应最小，且7天时细菌感染和炎症比3天时控制更好。细菌平板的代表性图像表明，Ti/PiG组在无超声照射时金黄色葡萄球菌的CFU略有降低，可能归因于身体运动在Ti/PiG中感应出的压电效应，产生ROS发挥部分抗菌作用（图6d）。超声照射后，Ti/PiG组与其他三组相比CFU显著下降。抗菌率结果显示，3天时Ti/PiG组抗菌率为26.68%，Ti/PiG+US组抗菌率显著升高至98.8%（图6e）；7天后，Ti/PiG组抗菌效果为38.31%，Ti/PiG+US组抗菌效果显著升高至98.4%（图6f）。Giemsa染色显示Ti、Ti+US和Ti/PiG组软组织中存在大量金黄色葡萄球菌，而Ti/PiG+US组在7天后无此类细菌（图6g）。Masson染色显示植入物附近胶原蛋白沉积。免疫组织化学染色显示，植入后第3天，Ti、Ti+US和Ti/PiG组中Ly6G染色免疫荧光增加，但MPO免疫荧光染色仅在Ti/PiG+US组中检测到，表明该组形成更丰富的NETs网络（图6h）。第7天观察到相同现象，但中性粒细胞计数减少。体内实验研究证实，经超声照射的Ti/PiG压电材料表现出免疫抗菌作用，与电刺激反应密切相关。

图6 皮下种植体感染模型中有效消除金黄色葡萄球菌感染。（a）评估皮下组织中US存在下Ti/PiG消除细菌的实验设计和时间表。（b、c）第3天和第7天拍摄的种植体感染模型的数字图像。（d）第3天和第7天用Ti、Ti+US、Ti/PiG和Ti/PiG+US处理后金黄色葡萄球菌菌落培养物的代表性图像。（e、f）Ti、Ti+US、Ti/PiG和Ti/PiG+US在体内对金黄色葡萄球菌的抗菌率。（g）第7天皮肤组织的H&E和Giemsa染色图像，比例尺=100μm，箭头表示细菌。（h）MPO和Ly6G在第3天和第7天的免疫荧光染色图像，比例尺=100μm，箭头表示MPO