首都医科大学宣武医院段婉茹团队，与北京化工大学喻盈捷、蔡晴团队，于2026年8月5日在Science Advances （2025 IF：13.9，中科院1区Top期刊，JCR Q1区）发表题为“A Biodegradable Piezoelectric Vertebral Implant for Programmable Electro-neuromodulation in Spinal Cord Injury”的研究论文。

研究报道了一种利用二苯丙氨酸二肽压电网络制备的可降解压电冷冻凝胶（Piezo Gel），植入损伤脊髓腹侧椎体缺损后，可将生理载荷转化为局部生物电信号，外加超声还能按需放大输出。更关键的是，研究不止于材料能发电，而是提出与临床康复路径同构的相位适配（phase-adaptive）序贯策略——急性期完全/近乎瘫痪时用超声远程「供电」，亚急性期部分运动恢复后再切换为由减重步态训练（body-weight–supported treadmill training, BWSTT）驱动的内源性刺激。团队为此自研了大鼠减重跑步机，并用 AI 视觉定量步态，把「天轨式」康复从临床场景搬进了动物实验。

关键词：神经调控；脊髓损伤；压电材料；神经康复；

01 研究背景

脊髓损伤常造成持久的运动、感觉与自主神经功能障碍。全球每年新发病例约 90 万例。减压手术可延缓继发损伤，却难以逆转已丢失的神经功能；激素、神经营养因子等药物路径也受疗效与副作用限制。在为数不多能直接「唤醒」损伤后脊髓回路的手段中，电神经调控备受关注——但临床常用的脊髓刺激系统依赖永久植入的电子器件，手术复杂度、感染风险与长期维护负担，始终制约其普及。一个更根本的设想随之出现：如果用于椎体结构重建的材料本身就能发电，还要不要芯片？

02 研究方法

该研究把答案拆成三层：

材料构筑：采用梯度冻结和冰模板技术制备互联多孔明胶冷冻凝胶，随后进行浸渍和冻干循环，使二苯丙氨酸二肽在凝胶孔壁内原位自组装为有序、非中心对称的纳米结构，形成贯穿凝胶的压电网络。

植入设计：模拟爆裂骨折需椎体重建的临床场景，将 Piezo Gel 植入 T9 损伤腹侧椎体缺损，在保留背侧脊髓解剖空间的同时承受骨质压缩。

康复设计：与人类减重步行训练 /「天轨」康复同构——瘫痪早期先「外源给电」，能迈步后再让「走路本身」成为刺激源。

03 研究结果

1. 材料结构：在多孔冷冻凝胶中构建连续压电网络

材料表征显示，Piezo Gel具有平均孔径约122 μm的互联孔结构，针状二苯丙氨酸二肽纳米结构均匀分布在凝胶基体内。多级结构既为材料受压形变和液体传输提供空间，也有利于细胞迁移。Piezo Gel可承受80%的压缩应变，并在20%形变下保持稳定回弹。酶降解15天后材料质量降低80.9%，PC12细胞在第7天可向三维孔道内迁移约160 μm，说明材料兼顾了力学恢复、可降解性和细胞相容性。

2. 压电材料实现生理量级的无源可编程输出

研究团队在 Sprague-Dawley 大鼠建立椎体置换模型，将 Piezo Gel 精确植入 T9 SCI 腹侧，并以双极电极经皮下外引至采集系统，在清醒、自由活动条件下连续记录压电信号。术后 MRI 显示植入物与宿主椎体贴合良好，未见界面压迫、进行性后凸或明显脊柱不稳。

无超声时，呼吸、弯腰、挤压、点头、推动等动作均可诱发显著高于对照 Gel 的电波动。以推动动作为例，Piezo Gel 的峰峰值电压约为 74.62 ± 41.10 mV，对照 Gel 约为 31.09 ± 10.49 mV。频域上中高频（约 4–6 kHz）增强更明显，时频图亦呈现与动作事件相关的高能分布。这为植入材料把生理机械能耗散为脊髓局部电场提供了直接在体证据。

3. 重度损伤：动不了的时候，先靠超声

重度 SCI（T9 椎体置换）接受 28 天超声刺激后继续观察到 8 周。Piezo Gel+超声组第 8 周 Basso–Beattie–Bresnahan（BBB）评分达 13.7，约为 Gel 对照的 4.3 倍。电生理MEP、SEP测试、以及膀胱壁、脊髓的组织病理染色也提示Piezo Gel+超声治疗的促神经功能恢复效果。视频可见协调、负重的后肢运动改善，静息姿势亦接近正常负重，对照组则难以支撑自身体重。证明：在「走不了」的急性/重度场景，超声可以远程驱动压电植入物，完成可编程电调控。

4.轻中度损伤：「超声→步行」序贯治疗

为让轻中度 SCI 大鼠真正参与康复，团队开发了定制减重训练平台：可精确控制体质量支持，并完成双足踏步，计算机视觉 AI 自动追踪髂、髋、膝、踝、趾等关键后肢关节。对尚不能完全自支撑的动物，体质量可部分卸载 15%——逻辑上正对应人类减重步行训练 / 天轨：能走多少，就减重多少，先保证安全、节律的迈步。

测试过程中急性期（约 Day 0–10）动物近乎不能自主负重，跑台尚无法提供有效机械输入，此时每日超声远程驱动腹侧 Piezo Gel，在损伤局部持续给出生物电微环境。待出现部分运动能力后转入 BWSTT（减重约 15% 的天轨式踏步），步行压缩压电椎体，使刺激强度与步态力学成正比，形成「越走越激活」的正反馈。

结果上而言，Peizo Gel+超声+BWSTT组的 4 周 BBB 升至约 16.3（约对照 2 倍），摆动相由约 10% 恢复到约 77%，关节高度/角度重现节律振荡，ROM 闭环扩大、点云由弥散变聚集，呈现可负重、可交替的协调步态。

04 研究结论及临床意义

本研究完成了「临床需求导向—实验室探究—临床转化」设计。在材料设计上，将椎体填充、机械能采集和神经调控整合进一种可降解冷冻凝胶。明胶多孔骨架负责承载和形变，自组装网络负责产生压电信号，连通孔道则兼顾细胞迁移和材料降解。

在模型设计上，首次建立大鼠椎体置换模型，材料位于损伤脊髓腹侧的椎体缺损内，能够接受外部超声程控激励的同时，也能将活动时脊柱机械力转导为内源神经刺激信号，实现自适应闭环刺激。

在治疗策略上，研究强调分期、个性化、序贯治疗，急性期活动受限时以外源超声远程驱动，亚急性期一旦出现部分负重能力，即切换BWSTT/天轨式步行提供的内源性机械能，使刺激强度随自身运动状态自适应调节。与传统脊髓电刺激的有源植入方案相比，这一方案减少了芯片、电池和长期导线依赖，为椎体重建合并脊髓损伤的治疗提供了新的材料路径。

原文：Liu P, Wang X, Liu Y, et al. A Biodegradable Piezoelectric Vertebral Implant for Programmable Electro-neuromodulation in Spinal Cord Injury. Science Advances, 2026.

第一作者

刘芃昊

首都医科大学宣武医院

神经外科 住院医师

毕业于北京协和医学院（清华大学）临床八年制，擅长脊柱脊髓疾病外科治疗，研究方向为脊髓损伤脑机接口及神经调控，主持国自然课题1项，以第一作者或通讯作者在Science Advances、Clinical Nuclear Medicine、Journal of Neuroinflammation等高水平期刊发表SCI论文7篇，获批国家发明专利13项。

【出诊时间：周一下午（专家团队门诊）】

共同第一作者

王新宇

北京化工大学

材料学院 博士研究生

聚焦于生物医用材料的研发，以第一作者或共一作者在Science Advances、Advanced Materials、ACS Applied Materials & Interfaces等高水平期刊发表SCI论文7篇，获批国家发明专利1项。

共同第一作者

刘彦淳

北京协和医学院

人体解剖与组织胚胎学

博士研究生

主要从事脊髓损伤修复与神经调控相关研究，聚焦脊髓电刺激、损伤后神经再生及功能恢复机制探索。相关成果发表于 Science Advances、Bioactive Materials、Brain, Behavior, and Immunity、Cells 等期刊

通讯作者

段婉茹

首都医科大学宣武医院

神经外科 主任医师 教授 

博士生导师

首都医科大学宣武医院神经外科主任医师，教授，博士生导师。主要从事脊柱脊髓微创手术治疗，形成“精致性手术”特色。长期负责神经脊柱中心的教学和培训，主持中国国际神经科学研究所脊髓损伤与功能重建实验室工作。作为项目负责人主持国家重点研发计划（青年科学家项目），及国自然、北自然等课题，作为第一或通讯作者文章发表于Science Advances、Neurosurgery、JNS:Spine等杂志。以第一发明人授权发明专利12项，其中7项已转化。获国家卫健委神经外科医师诊疗能力大赛总决赛一等奖（脊柱脊髓）、中国医疗器械创新创业大赛总决赛一等奖，北京医学科技奖等；带领团队获“青创北京”2026年“挑战杯”首都大学生创业计划竞赛特等奖。

【出诊时间：周二下午（专家门诊）、周二晚上（特需门诊）】

共同通讯作者

喻盈捷

北京化工大学

教授 博士生导师

入选北京市杰出青年基金、北京化工大学青年英才百人计划。入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单。主要聚焦于生物医用高分子材料的开发，系统性地构建了一系列金属元素（指金属药物和金属离子）递送高分子材料体系，为金属元素在肿瘤诊疗及组织再生等方面的体内生物医学应用提供了重要策略。共发表SCI学术论文140余篇，其中以第一作者和通讯作者在Nat. Commun.、Sci. Adv.、Matter、Adv. Mater.等期刊上发表IF>10的论文50余篇，所发表论文总被引次数8300余次、H因子62。授权中国发明专利10余项。主持科技部国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、北京市科委联合基金项目等。担任Exploration期刊学术编辑，Research、VIEW、Biomaterials Translational等期刊青年编委。

共同通讯作者

蔡晴

北京化工大学

教授 博士生导师

主要聚焦于新型生物可降解高分子的设计和制备、骨和软骨组织工程支架材料、药物控释载体、硬组织修复材料。获中国石油和化学工业联合会科学进步奖二等奖1项，教育部自然科学一等奖1项和教育部技术发明奖二等奖1项，入选2011年教育部新世纪人才计划。共发表SCI论文100余篇，其中第一/通讯作者SCI 论文70余篇，形成专利25项，获授权16项，参编英文论著2部和中文专著1部。

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