骨折和缺陷会给患者带来严重的健康相关问题。对于临床治疗，已积极探索合成支架以促进关键尺寸的骨再生，并且电刺激被认为是促进该过程的有效辅助手段。

2023年2月15日，清华大学盛兴及北京大学王宇光共同通讯在Science Advances 发表题为“A 3D biomimetic optoelectronic scaffold repairs cranial defects”的研究论文，该研究开发了一种集成了薄膜硅（Si）基微结构的三维（3D）仿生支架。这种硅基混合支架不仅为指导细胞生长提供了3D分层结构，而且还通过光诱导电信号调节细胞行为。

通过红外照明远程控制，这些Si结构电调节干细胞的膜电位和细胞内钙动力学，并增强细胞增殖和分化。在啮齿动物模型中，Si集成支架在光学刺激下显示出改善的成骨。这种无线供电的光电支架消除了系留的电植入物，并在生物环境中完全降解。硅基3D支架结合了地形和光电刺激，可实现有效的生物调节，为生物医学提供了广泛的潜力。

每年超过数百万患者患有骨折，创伤和先天性残疾等骨骼疾病。尽管天然骨组织具有通过自我再生过程对轻微损伤做出反应的固有康复能力，但大骨折或大面积缺损使得在没有手术干预的情况下难以实现完全的功能恢复。再生临界大小骨缺损的标准方法之一依赖于自体移植物，自体移植物不仅对缺损区域的骨形成具有理想的骨传导和骨诱导特性，而且还施加了限制，包括其有限的可用性和供体部位发病率的高风险。为了克服自体移植的上述局限性，合成生物支架（bio-scaffold）为骨组织工程提供了一种有前途的替代治疗，作为填充缺陷的替代品，并通过模拟细胞外基质微环境为细胞粘附，生长和分化提供地形支持。

受具有三维（3D）分层结构的天然骨组织的启发的高级支架已被广泛用于骨再生。特别是，矿化材料在开发生物支架的结构和组成仿生特征方面引领了前进的道路。一方面，矿化支架包括多种组合物；另一方面，它们配备了多层次的骨状分层结构，范围从微米到纳米尺度。这些常规支架为细胞生长和分化提供地形和机械支持。在额外的生物功能方面，生化和物理刺激用于增强惰性合成支架的生物活性以进行成骨。与生化线索相比，物理线索在与生物系统相互作用时提供较高的空间和时间分辨率以及更稳定和可控的操作。

传统的电疗法利用直流或交流电刺激进行骨再生，涉及连接到控制电路和电源的植入式电极。最近，研究人员还研究了基于光电容器，静电和压电电子学的电活性材料和设备，这些材料和设备可以无线或自供电。虽然这些工作证明了调节各种类型的细胞和组织用于研究和治疗目的的能力，但在骨再生过程中光学/电信号和干细胞活动之间的相互作用已经较少被利用。此外，非常希望实现一种支架，该支架可以（i）模仿分层骨结构，（ii）产生无线供电的电信号并影响细胞行为，以及（iii）在生物环境中完全兼容和可降解。研究人员认为，这种电活性生物支架可以探索用于组织再生，并在生物医学中实现广泛的应用。

在这项研究中提出了一种用于骨组织再生的3D可生物降解光电生物支架。制造的支架结合了嵌入HA矿化胶原蛋白/ PCL结构中的图案化硅（Si）薄膜，这些结构可以完全溶解在生物环境中。在培养人骨髓来源的间充质干细胞（hBMSC）时，仿生多尺度分层结构为细胞粘附，生长和分化提供了有利的地形支持。

构建具有Si纳米结构的3D光电支架以进行骨再生的仿生策略（图源自Science Advances ）

响应近红外（IR）照明，Si结构产生电信号，使细胞电位去极化并唤起细胞内钙活性。这些光电信号进一步调节hBMSCs向成骨分化。最后，体内实验表明，Si基生物支架促进了啮齿动物模型中颅骨缺损的再生。综上所述，本研究结果表明硅基光电材料是治疗和再生医学的有希望的候选者。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq7750