骨缺损是临床常见骨科疾病，主要由创伤、肿瘤切除或感染等因素导致。目前治疗方法包括自体骨移植、异体移植和人工骨替代材料，但后者普遍存在生物活性不足等问题。研究表明，微电流刺激可有效促进骨组织再生。明胶作为天然胶原蛋白衍生物，具有优异的生物相容性和仿生特性，是理想的骨修复支架材料。本研究通过开发基于明胶的导电复合水凝胶，结合微电流刺激技术，为骨缺损修复提供创新解决方案。

  近日，哈尔滨工业大学冷劲松教授团队与哈尔滨医科大学附属第二医院骨科徐公平教授团队与合作在《COMPOSITES PART A-APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING》上发表了题为《A conductive composite hydrogel for promoting bone defect regeneration through microcurrent stimulation》的研究论文，博士生耿强旺和付慧超为共同第一作者，冷劲松教授、徐公平教授和张风华研究员为共同通讯作者。论文创新性地将碳纳米管（CNTs）和氧化石墨烯（GO）引入明胶/聚丙烯酰胺双网络水凝胶体系，成功构建了具有导电特性的复合水凝胶。通过模拟计算和实验验证，确定CNTs是最佳纳米填料。该CNTs掺杂复合水凝胶不仅具有优异的生物相容性，在植入颅骨缺损动物模型并经电刺激后，更能显著促进骨组织修复。该水凝胶为骨修复手术中面临的供体材料稀缺和术后感染风险等临床难题提供了创新性解决方案。

  本研究通过自由基聚合法成功构建了明胶-丙烯酰胺-碳纳米管导电水凝胶体系（图1）。对比研究发现，与石墨烯复合体系相比，碳纳米管复合水凝胶展现出显著增强的导电性能和电荷转移效率。基于密度泛函理论的第一性原理计算结合体外实验验证，优化了过硫酸钾引发剂的最佳浓度。力学性能测试表明，该水凝胶具有与天然骨组织相匹配的压缩模量和循环载荷稳定性。在动物实验中采用临界尺寸颅骨缺损模型，通过显微CT三维重建及组织学分析证实：在特定微电流刺激条件下，含0.75%碳纳米管的实验组在术后8周实现缺损区域完全骨性愈合，新生骨体积分数较对照组显著提升。免疫荧光染色显示实验组成骨相关标志物表达量显著上调，表明该材料可通过激活成骨细胞分化通路促进骨再生。本研究为开发新型电活性骨修复材料提供了重要的理论依据和实验基础。

图1.导电水凝胶的合成过程示意图及其电刺激促进颅骨修复

  本研究采用蒙特卡罗模拟方法对氧化石墨烯复合水凝胶与碳纳米管复合水凝胶的导电性能进行了系统研究（图2a-c）。基于霍尔效应的测试结果表明（图2d-e），碳纳米管复合水凝胶的电导率随CNT含量增加呈现指数型增长趋势，而氧化石墨烯复合水凝胶则表现出线性增长特征。当含量为0.75%（质量分数）时，碳纳米管复合水凝胶的电导率达4.2×10^-5 S/m，较氧化石墨烯复合水凝胶（1.1×10^-5 S/m）提高约3.8倍；当含量提升至1.0%（质量分数）时，两者导电性能差异进一步扩大至10.2倍。通过计算机模拟与实验测量的协同验证，证实碳纳米管复合水凝胶在本研究条件下具有更优异的导电性能，这一发现为功能性骨修复材料的开发提供了重要实验依据。

图2.蒙特-卡尔导电性模拟以及霍尔效应测试

  研究表明，G-A-CNTs导电水凝胶展现出优异的性能稳定性。通过循环拉伸测试证实，该材料在2000次拉伸-回复循环后仍保持稳定的电阻响应，显示出卓越的导电耐久性(图3a)。溶胀实验结果表明碳纳米管的引入对水凝胶溶胀行为影响较小，体系在7小时后达到溶胀平衡(图3b)。力学性能测试显示，随着CNTs含量从0.75 wt%增至1.0 wt%，水凝胶拉伸强度由0.23 MPa提升至0.24 MPa，而断裂伸长率则从205%降至188%，表明材料刚性增强而韧性略有降低(图3c)。流变学分析进一步证实，水凝胶的储能模量（G''）和损耗模量（G''''）均在CNTs含量为0.75 wt%时达到最大值(图3d)。综合各项性能指标，0.75 wt% CNTs含量的G-A-CNTs水凝胶展现出最优的综合性能。

图3.导电稳定性测试，力学性能测试、溶胀测试以及流变测试

  本研究通过分子生物学实验系统评估了G-A-CNTs水凝胶的成骨诱导性能。RT-qPCR和Western blot分析结果表明，含0.75% CNTs的G-A-CNTs水凝胶能显著上调骨髓间充质干细胞中碱性磷酸酶（ALP）、Runt相关转录因子2（Runx2）和骨钙素（OCN）等关键成骨标志物的基因和蛋白表达水平（p<0.01）(图4a-g)。机制研究揭示，该水凝胶通过电刺激作用促进钙离子内流，提高细胞内Ca2?浓度，进而协同激活PI3K/AKT、MAPK和Wnt/β-catenin等多条信号通路(图4h)。这种多通路协同调控作用最终促进成骨相关基因的转录表达，诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞定向分化。实验数据充分证实，0.75% CNTs含量的G-A-CNTs水凝胶具有优异的骨诱导活性，其通过电-化学耦合作用机制有效促进骨再生。

图4. 成骨基因和蛋白表达水平以及电刺激骨愈合机制示意图

  本研究通过动物实验系统评估了G-A-CNTs导电水凝胶对颅骨缺损修复的促进作用。手术植入大鼠颅骨缺损部位后，实验组每日接受400 mV电压刺激30分钟。Micro-CT三维重建（图5a）显示，空白对照组和单纯水凝胶组在12周后仅见缺损边缘少量新骨形成（图5b）；而0.75% G-A-CNTs组新骨几乎完全覆盖缺损区域。定量分析表明（图5c-d），随着CNTs含量增加，骨体积分数（BV/TV）和骨矿物密度（BMD）显著提升，在0.75% CNTs时达到峰值（p<0.01）。组织学分析进一步证实，CNTs掺杂的导电水凝胶通过协同微电流刺激显著促进成骨，其修复效果呈现浓度依赖性。这些结果充分证明，0.75% CNTs含量的G-A-CNTs导电水凝胶能有效促进骨组织再生，为骨缺损修复提供了新的治疗策略。

图5. 颅骨缺损部位的Macro-CT及其定量分析

  本项研究为骨缺损修复提供了一种创新的电活性水凝胶治疗策略。通过引入碳纳米管构建导电网络，成功开发了一种新型骨修复水凝胶，显著提升了材料的导电性能和力学强度，在微电流刺激下有效促进了颅骨缺损的再生修复。该研究为解决传统骨修复材料生物活性不足和感染风险等问题提供了新思路，也为电活性生物材料的开发和应用提供了重要参考。未来，这种导电水凝胶技术有望拓展应用于更多类型的骨缺损修复，为骨组织工程提供更有效的治疗选择。

作者简介

  冷劲松教授团队长期从事于智能材料结构及其应用研究。在航天领域，研制了基于形状记忆聚合物复合材料的可展开铰链、桁架、重力梯度杆、天线、太阳能电池、离轨帆、锁紧释放机构等智能结构 (Chemical Engineering Journal, 2025, 505, 159558; Small, 2023, 2307244; Sci. China. Technol. Sc., 2020, 63, 1436–1451; Smart Mater. Struct., 2022, 31, 025021; Compos. Struct., 2022, 280, 114918; AIAA J., 2021, 59, 2200-2213; Compos. Struct., 2022, 290, 115513; Compos. Struct., 2020, 232, 111561; Compos. Struct., 2019, 223, 110936.)，可应用于各种卫星平台、空间站、探月工程、深空探测工程等。设计制备了构型、力学性能可调节、可重构的拉胀力学超材料和像素力学超材料 (Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2312036.; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795)。在生物领域，基于形状记忆聚合物等智能材料开发了多种智能生物支架和人工假体 (Adv. Funct. Mater. 2025, 2412533.; Advanced Fiber Materials, 2023, 5, 632-649; Research, 2023, 6, 0234; Biomaterials, 2022, 291, 121886; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 42568-42577; Compos. Sci. Technology, 2021, 203, 108563; Compos. Part A-Appl. S., 2019, 125, 105571; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1906569)。冷劲松院士团队自主设计并研制的基于形状记忆聚合物的中国国旗锁紧展开机构，于2021年5月在天问一号上成功展开，使我国成为世界上首个将基于形状记忆聚合物复合材料的智能结构应用于深空探测工程的国家 (Smart Mater. Struct., 2022, 31, 115008. )。

  徐公平教授团队长期致力于脊柱外科疾病的临床诊疗与技术创新研究，在颈椎病、复杂腰椎间盘突出症、脊柱肿瘤、脊柱感染及脊柱畸形等疾病的微创手术治疗与脊柱重建领域，形成了系统的诊疗方案，积累了丰富的临床实践经验，临床疗效确切。近年来，团队聚焦医工交叉领域的前沿问题，针对骨再生与骨修复的关键科学问题，开展新型生物材料的基础与转化研究，相关成果已取得阶段性突破，近三年在国际期刊发表多篇SCI论文，为骨再生领域的技术创新与基础研究提供了重要支撑。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2025.109205