2025年12月19日，rabey雷竞技王江林教授团队联合香港中文大学毛传斌教授团队在Cell子刊 Cell Biomaterials 在线发表题为《Mechanically driven polarization for wireless and bioadaptive piezoelectric cardiac patches》的研究论文。
该研究成功开发了一种完全可生物吸收的压电新材料，并基于此构建了一种兼具生物可降解性与无线、无源、自供能电刺激功能的创新型心脏补片器件。该心脏补片可在体内直接利用心脏自身搏动产生的机械能，实时转化为促进心肌修复所需的电信号，实现无需外部电源、无需导线、与心脏生理节律高度同步的精准电刺激治疗。
更为重要的是，该器件在完成治疗任务后可在体内安全、可控地逐步降解吸收，无需二次手术取出，有效降低了患者风险并提高了治疗依从性。该成果为心肌梗死等重大心血管疾病的治疗提供了一种全新的无线、无源、生物自适应治疗策略，未来在可植入医疗器械和心血管、神经再生医学领域展现出广阔的临床应用前景。
心肌梗死是全球致残致死率最高的心血管疾病之一。心梗后，心肌细胞发生不可逆坏死并被纤维化瘢痕取代，导致心脏收缩功能和电生理同步性显著受损，最终发展为心力衰竭。电活性心脏补片虽可提供类心肌的机械支撑和电刺激治疗，但仍面临两大关键瓶颈：缺乏与心跳同步的内源电刺激能力，以及材料不可降解、需二次手术取出并可能引发长期异物反应。
电刺激被证实可有效促进心肌修复，但其对外部电源或不可降解电极的依赖严重制约了临床应用。压电材料能够将机械能直接转化为电能，为实现无线、无源、与生理节律同步的心脏电刺激提供了新途径。然而，现有高性能压电材料普遍不可生物降解，生物相容性与长期安全性问题限制了其应用。
针对上述挑战，本研究开发了一种完全可生物降解的压电心脏补片。我们以具有良好生物相容性和可控降解特性的微生物合成聚酯 PHBV 为基材，提出“机械拉伸驱动极化”策略，利用高压电场诱导其晶体结构由压电性较弱的α相向压电性能显著增强的β相转变（图1），实现了生物可降解聚合物压电性能的有效调控与显著提升。
图1. 研究概要
材料结构表征揭示了这一策略的有效性。扫描电子显微镜和X射线散射分析共同证实，在高转速下制备的PHBV3000薄膜，其纳米纤维呈现出高度有序的排列，并且内部形成了具有约20纳米周期的β相晶体。这种微观结构的重构可以使聚合物链中的极性碳氧双键（C=O）沿纤维轴定向排列，从而产生了宏观尺度上的净极化（图2）。性能测试结果表明PHBV3000在机械脉冲下可产生高达约2.7伏的电压，其压电输出远优于无序结构的对照组。此外，该材料还展现出优异的机械强度、柔韧性以及在酶解环境中可控降解的能力，完全满足了作为临时植入器械的基本要求（图3）。
图2. 机械应力驱动极化机制
图3. 理化特性研究
在体外细胞评价中，PHBV3000补片展现了其作为生物活性平台的巨大潜力。与压电性微弱且纤维无序的PHBV300相比，PHBV3000为心肌细胞提供了协同的拓扑引导与电刺激。结果表明，在PHBV3000上培养的心肌细胞排列更为整齐，肌节结构更为清晰有序，负责电信号传导的关键蛋白—CX43的表达也显著上调。活细胞钙成像进一步显示，这些细胞表现出更频繁、强劲且同步的钙瞬变信号，标志着其兴奋-收缩耦合功能得到实质性改善。通过RNA测序进行的分子机制探索表明，PHBV3000产生的压电信号激活了多个与心脏修复密切相关的通路，包括钙信号、心脏肌肉收缩、血管生成以及TGF-β信号通路，这从基因层面解释了其促进心肌细胞成熟的深层原因。
基于大鼠心梗模型，有力地验证了该补片的治疗效能。植入四周后，PHBV3000治疗组的心脏功能得到显著恢复，其射血分数和短轴缩短率明显提升，心室扩张也得到了有效遏制。组织学分析显示，补片植入区域梗死面积缩小，纤维化程度减轻（图4），心肌细胞的病理性肥大受到抑制，同时梗死区域内的微血管密度和神经纤维数量均显著增加。这表明PHBV3000补片不仅能对心脏起到物理支撑，更能激发心肌、血管和神经的协同再生，为心肌梗死区的长期功能恢复提供了保障。
图4. 压电心脏补片的心梗治疗
综上，本研究首次实现了高性能压电功能与完全生物可降解材料的协同统一，通过高速静电纺丝诱导PHBV分子链有序排列与晶型转变，显著提升了其压电响应能力；在此基础上构建的压电心脏补片可直接利用心脏搏动的机械能，在梗死区域实现无线、无源、原位且与生理节律同步的实时电刺激治疗，从而协同促进心肌电机械同步及血管、神经再生；同时，器件在完成治疗后可在体内安全可控地降解吸收，无需二次取出手术，为植入式生物电子器件实现“介入而不永久植入”的临床转化路径提供了重要范式。
rabey雷竞技生命科学与技术学院博士生康新昌和赵瑞月为论文共同第一作者。rabey雷竞技王江林教授和香港中文大学毛传斌教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家重大研究计划、国家自然科学基金、湖北省重点研发计划、深圳市基础研究重点项目和rabey雷竞技交叉研究支持计划等部分资助。
论文连接: https://www.cell.com/cell-biomaterials/fulltext/S3050-5623(25)00290-9
