原创 青白视角 Aggie 青白视角 2025年07月06日 11:02 美国
2024 年 3 月 3 日，青白视角发布高度近视治疗突破！新型无线无电池眼部调节贴片一文，介绍了电子科技大学附属医院 / 四川省人民医院眼科钟捷教授、电子科技大学薛欣宇教授等团队合作研发的高度近视治疗用无线无电池眼部调节贴片。该文发布后引发临床、产业界及投资界广泛关注，累计阅读量超 3 万，充分反映出中国眼科界对缓解严峻近视防控现状、尤其是对高度近视新型疗法的迫切需求。
2025 年 7 月 1 日，由电子科技大学附属医院/四川省人民医院眼科、医学遗传中心检验科石毅教授、血液科 Miao Yang-Bao 教授及成都大学食品与生物工程学院 Zou Liang 教授等研究团队（钟捷教授参与本研究指导和支持）在「Journal of Nanobiotechnology」（Top期刊，中科院1区，IF=12.6）在线发表了题为「A Self-Generated Electricity-Driven Sclera reinforcement bionic piezoelectric patch for Management of High Myopia」即「一种自发电驱动的巩膜加固仿生压电贴片在高度近视管理中的应用」的研究论文。该研究受电鳗启发，开发出一种新型仿生压电贴片 BPP@PVDF。它将牛心包与聚偏氟乙烯结合，兼具生物相容性和压电性。实验表明，该贴片能促进巩膜成纤维细胞增殖和胶原蛋白合成，在近视兔模型中有效减少眼轴伸长，为高度近视治疗提供了新方向。
展开剩余89%01 未满足的临床需求
高度近视（HM）是导致眼部变形的主要原因，其特征是眼轴过度伸长（眼轴长度≥26mm）和严重屈光不正（≤-6.00 屈光度）。随着眼轴长度的持续增加，高度近视患者面临着显著升高的视力威胁性并发症风险，包括白内障、青光眼、视网膜脱离和黄斑变性。鉴于其日益增长的患病率和潜在的严重视力损害，高度近视已成为全球主要的公共卫生问题，需要更多关注以减轻其相关并发症。
由于高度近视相关的眼部病变主要源于眼轴过度伸长，眼科研究在很大程度上集中在调节眼轴生长的策略上。大量研究表明，作为眼睛最外层的巩膜会发生进行性扩张和生物力学减弱，这是高度近视中眼轴长度不受控制地伸长的一个关键因素。因此，提高巩膜强度和生物力学稳定性已成为一种重要的治疗方法。目前，后巩膜加固术仍是唯一专门为增强高度近视患者巩膜强度而设计的手术干预手段。临床研究证实，后巩膜加固术能有效延缓眼轴长度伸长，稳定屈光不正进展，并在保持最佳矫正视力方面提供长期益处。一项回顾性研究表明，接受后巩膜加固术的患者与对照组相比，年眼轴长度伸长减少 0.17mm，屈光不正改善 0.41 屈光度。
在后巩膜加固术手术中，眼科医生将生物或合成加固材料植入巩膜扩张部位，以促进胶原蛋白合成并抑制病理性眼轴伸长（AL）。研究表明，胶原蛋白合成减少是巩膜生物力学减弱的一个关键因素。后巩膜加固术材料附着于巩膜，通过物理增厚来强化其结构，刺激浅层巩膜的胶原蛋白生成并促进纤维结缔组织增殖，这在很大程度上得益于其生物相容性。这种机械应力的改变可引发有益的炎症反应，并通过转化生长因子 β（TGF-β）信号增强调节细胞的胶原蛋白合成能力。
鉴于后巩膜加固术的特定机制，后巩膜加固术手术中使用的植入材料应具备几个关键特性，包括生物相容性、柔韧性和拉伸强度。目前，同种异体巩膜和牛心包贴片（BPP）常用于临床后巩膜加固术手术。然而，同种异体巩膜来源稀缺，且同种异体巩膜和牛心包都需要与宿主组织长时间整合 —— 通常需要数月至数年 —— 从而限制了后巩膜加固术的疗效和广泛的临床应用。实际上，大多数可用的后巩膜加固术材料不能完全满足后巩膜加固术的功能需求。
因此，开发更高效的后巩膜加固术材料以加速术后胶原蛋白合成，对于在高度近视治疗中实现稳定的长期治疗效果至关重要。
02 设计与制备
最近的研究强调了电刺激在多种眼病中恢复正常眼部功能的治疗潜力。例如，Chow 等人发现电流在视网膜色素变性中具有神经保护作用，而 Morimoto 等人发现电流刺激可提高视神经损伤模型中视网膜神经节细胞的存活率。产生微电流刺激的压电聚合物已被广泛应用于临床，包括伤口愈合、骨再生、感染控制、肿瘤治疗和药物控释。其中，作为一种广泛使用的压电聚合物，聚偏氟乙烯（PVDF）已被证明能促进成纤维细胞增殖，从而促进胶原蛋白合成和伤口愈合。鉴于昼夜节律、视物距离和眼内压通过调节巩膜胶原蛋白合成影响眼轴长度进展，巩膜成为基于压电材料干预的一个有前景的靶点。然而，压电材料在高度近视治疗中的应用仍有待探索。
本研究中设计的自发电驱动巩膜加固仿生压电贴片（BPP@PVDF）在结构与制备上具有明确的针对性，以下是其设计与结构的详细说明：
2.1 核心设计理念
受电鳗发电机制的启发，设计了一种新型仿生压电贴片---在后巩膜加固术手术中提供微电流刺激，从而增强植入材料与巩膜之间的相互作用。本研究介绍了一种简单的旋涂技术，将聚偏氟乙烯（PVDF）整合到牛心包贴片表面，使其具有压电特性。这种涂有聚偏氟乙烯的贴片不仅提高了后巩膜加固术手术中的生物相容性，还促进了巩膜成纤维细胞增殖并加速胶原蛋白合成，最终改善了后巩膜加固术后的巩膜生物力学。值得注意的是，在近视兔模型中，BPP@PVDF 有效减少了眼轴伸长，表明其作为一种有前景的手术材料在减轻进行性近视方面的潜力。这些发现强调了 BPP@PVDF 作为一种稳定有效的后巩膜加固术材料，为提高高度近视治疗的临床效果铺平了道路。图 1 展示了所提出机制的概述。
图1：受电鳗启发而研发的一种名为 BPP@PVDF 的仿生压电贴片，旨在通过微电流刺激增强植入材料与巩膜之间的相互作用，从而改进后巩膜加固术（PSR）。这种涂有聚偏氟乙烯（PVDF）的贴片能够促进巩膜成纤维细胞增殖并加速胶原蛋白合成，进而在术后增强巩膜的生物力学性能。
为此，笔者去了解了电鳗发电的原理，简单来说：电鳗的放电源于其特化的肌肉组织构成的放电体，这些放电体类似小型叠层电池。当被神经信号激励时，离子流会陡然通过细胞膜产生电流。电鳗体内从头到尾分布着大量这样的放电体，每个可产生约 0.15 伏特电压。放电时，所有放电体串联，使头尾间形成高电压（最高可达 800 伏特）；同时多个电池组并联，可在体外产生足够大的电流。电鳗能自由控制放电的时间、强度和频率，其发电器官的神经部分是调控枢纽，可根据需求放出不同电力，用于警告、试探、侦测或击晕猎物及天敌。
2.2 具体结构与制备过程
2.2.1 基底材料
采用牛心包贴片（BPP，具体为 ThromalGEN 手术贴片）作为基底，其本身具有一定的生物相容性和机械支撑能力，是临床常用的 PSR 材料之一。
2.2.2 压电涂层
通过旋涂技术在 BPP 的粗糙表面均匀覆盖一层 PVDF 薄膜。具体步骤为：制备 4mg/mL 的 PVDF 溶液（将 PVDF 溶解于二氯甲烷中）；取 100μL 溶液滴加在 1.5cm² 的 BPP 表面，在 650rpm 的旋转台上旋转 30 秒以确保涂层均匀；干燥后在 80°C、8.2kV 电压下进行极化处理，赋予其稳定的压电特性。
2.2.3 关键特性
结构特征：扫描电子显微镜（SEM）显示，PVDF 涂层覆盖后，BPP 表面原有的纤维结构变得不明显，形成连续均匀的薄膜（4mg/mL 浓度时效果最佳）； 压电性能：在模拟眨眼的机械循环测试（约 5 次 / 分钟）中，BPP@PVDF 能稳定产生约 1.75V 的电压，与纯 PVDF 薄膜的压电输出相当； 厚度控制：PVDF 涂层厚度随浓度变化，4mg/mL 时厚度适中（1.675-10.940μm），既能保证压电性能，又避免了过厚导致的结构不规则。图2：BBP@PVDF 仿生巩膜贴片的特征。（A）实验方案示意图。（B）扫描电子显微镜显微图像展示了球形的牛心包（左）和 BPP@PVDF（右）（比例尺为 1μm）。（C）牛心包、BPP@PVDF 和聚偏氟乙烯的傅里叶变换红外光谱。（D）结果显示了颗粒在循环机械测试中的压电响应。BPP@PVDF 产生的电压为 1.755±0.107V，与聚偏氟乙烯产生的电压（1.750±0.103V）几乎相同，未观察到显著差异。（E-F）使用扫描电子显微镜对聚偏氟乙烯涂层进行厚度测量。
2.3 结构与功能的关联
2.3.1 生物相容性
BPP 基底提供良好的组织相容性，而 PVDF 涂层经细胞实验验证无细胞毒性，且能促进人巩膜成纤维细胞（HFSF）的黏附和增殖；
2.3.2 电刺激功能
PVDF 在机械应力（如眼球运动产生的压力）下产生微电流，通过超声模拟实验证实，这种电流能显著促进 HFSF 的增殖和 I 型胶原蛋白合成；
2.3.3 机械强化作用
BPP@PVDF 结合后，巩膜组织的最大拉伸应力和弹性模量显著提高，通过促进胶原蛋白合成增强巩膜的 biomechanical 稳定性。
综上，BPP@PVDF 的设计通过 "生物相容性基底 + 压电功能涂层" 的结构，实现了机械支撑与电刺激的协同作用，为高度近视的巩膜加固提供了新型高效材料。
03 研究结果
虽然生理性眼轴生长和近视的病理性眼轴生长有一些相同的潜在机制，但近视中的眼轴增长通常表现出更大的不可预测性。我们设计并进行了以下实验，以进一步研究 BPP@PVDF 对透镜诱导型近视引起的病理性眼轴长度伸长的影响。
实验设计细节如图 7A 所示。1月龄兔眼佩戴硬性透气性接触镜 10 天以构建透镜诱导型近视兔模型，模型成功建立后，将兔子分为两组：假手术组和 BPP@PVDF 组。在第 10 天，我们对透镜诱导型近视兔眼进行后巩膜加固术手术，以干预眼轴的持续生长。在后巩膜加固术手术前，对两组兔子透镜诱导型近视建模的眼轴长度生长一致性进行初步评估（图 7B）。该评估旨在确保后续实验程序的正常进行。
基于图 6 中的结果，有效的透镜诱导型近视建模的最关键特征是巩膜组织内胶原纤维密度和直径的同时减少。因此，本研究关注巩膜组织的组织形态学特征，以评估 BPP@PVDF 对透镜诱导型近视模型的治疗效果。后巩膜加固术手术治疗一个月后，对两组进行了不同的测量。
图6：利用离焦镜片成功构建了近视兔模型（LIM）。（A）兔模型的操作流程。（B）眼轴长度生长变化（ΔAL）的结果。LIM：透镜诱导型近视兔眼；Con：对照眼。（C）脉络膜厚度。（D-E）不同兔组巩膜组织的组织病理学结构组成。黄色箭头指示巩膜的变化。比例尺分别为 50μm、200μm 和 20μm。Sc：巩膜。（F）通过透射电子显微镜（TEM）观察胶原原纤维密度和直径的微观结构。黄色箭头指示巩膜的变化。比例尺分别为 50μm 和 200μm。（G）巩膜纤维直径的结果。
实验结果表明，在透镜诱导型近视模型中，使用 BPP@PVDF 的后巩膜加固术治疗在减少眼轴长度生长方面比假手术组效果更优（图 7C）。然后，测量了兔子的脉络膜厚度，结果表明使用 BPP@PVDF 的后巩膜加固术治疗对脉络膜厚度的变化没有显著影响（图 7D 和 E）。值得注意的是，在 BPP@PVDF 应用于后巩膜加固术中，在增强巩膜胶原纤维密度、刺激新的巩膜成纤维细胞增殖、促进新血管形成以及增加胶原纤维直径方面发挥了显著作用（图 7F-K）。总的来说，所有这些结果证实，在透镜诱导型近视模型中，使用 BPP@PVDF 的后巩膜加固术治疗在抑制眼轴长度增加和提高巩膜胶原纤维密度方面具有显著潜力。
图7：BPP@PVDF 贴片在透镜诱导型近视（LIM）兔模型中展现出有效调节眼轴长度（AL）和修复胶原原纤维的能力。（A）操作流程。（B）后巩膜加固术（PSR）手术前测量的眼轴长度变化（ΔAL）。（C）术后 40 天观察到的眼轴长度变化（ΔAL）。（D-E）使用光学相干断层扫描血管造影（OCTA）监测脉络膜厚度（ChT）的变化。（F-I）不同兔组巩膜组织的组织病理学结构组成。（F 和 H）中的绿色箭头指示巩膜的变化。（G 和 I）中的橙色箭头指示巩膜中新生成的微血管。比例尺分别为 50μm 和 200μm。Sc：巩膜。（J-K）通过透射电子显微镜（TEM）观察巩膜胶原的微观结构，比例尺为 50μm。（J 和 K）中的橙色箭头指示巩膜的变化。
04 讨论
高度近视由于其进行性以及潜在的巩膜生物力学薄弱（这会导致眼轴过度伸长），仍然是眼部治疗中的一大挑战。目前的干预措施，包括后巩膜加固术，已被证明能稳定病情，但受限于缺乏能与巩膜组织完全整合并促进长期结构加固的最佳材料。本研究通过开发一种仿生压电贴片 BPP@PVDF，为高度近视的管理引入了一种新方法，该贴片结合了牛心包（BPP）的机械加固作用和聚偏氟乙烯（PVDF）的压电特性，不仅能加固巩膜，还能提供自发电刺激，以促进胶原蛋白合成并增强巩膜生物力学。
聚偏氟乙烯与牛心包的整合具有特别的优势，因为它具有双重功能：牛心包支架提供生物相容性和高拉伸强度，类似于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等合成材料，而聚偏氟乙烯则增加了在受到机械应力时能产生电流的压电特性。这种自发电对于刺激巩膜中的细胞至关重要，可改善细胞黏附、增强胶原蛋白生成并强化机械性能。先前的研究表明，电刺激能积极影响各种组织（包括骨骼和软骨）的组织再生和胶原蛋白合成，但其在近视治疗中的应用在很大程度上尚未被探索。我们的研究提供了令人信服的证据，表明压电刺激可以减轻高度近视特有的眼轴伸长。
本研究呈现的体外和体内结果证实，BPP@PVDF 贴片显著减少了近视兔模型中眼轴伸长的进展：
体外测试结果：聚偏氟乙烯涂层在受到机械应力激活时，能促进成纤维细胞增殖和胶原蛋白合成，这对于加固巩膜至关重要。 体内实验结果：该贴片能有效地与巩膜整合，在长期使用后显示出良好的机械强度和抗变形能力。 组织学分析结果：进一步支持了这些发现，与对照组相比，在受治疗的巩膜中观察到更多的胶原蛋白沉积。这表明 BPP@PVDF 贴片不仅提供机械支撑，还能刺激长期强化巩膜组织所需的生物过程。虽然本研究的结果令人鼓舞，但有几个方面值得进一步探索。首先，应评估聚偏氟乙烯涂层的压电特性的长期稳定性及其在实验时间框架之外防止眼轴伸长的持续有效性。此外，需要评估电刺激对其他眼部组织（如视网膜和视神经）的潜在影响，以确保长期不会发生不良副作用。此外，BPP@PVDF 贴片用于临床的可扩展性和可制造性仍是未来研究的重要考虑因素。
05 结语
总体而言，BPP@PVDF 贴片的设计标志着在高度近视治疗方面的一项重大进展。通过将电刺激与仿生材料相结合，本研究不仅提供了一种新的治疗策略，还为眼部再生医学的未来研究开辟了新途径。通过自发电增强巩膜强度和胶原蛋白合成的能力，为近视管理提供了一种独特且有前景的方法，有望在未来改变临床实践并改善患者预后。
从无线无电池眼部调节贴片，到自发电驱动的巩膜加固仿生压电贴片，电子科技大学附属医院/四川省人民医院眼科等团队持续探索创新，为眼科界带来新希望。这一系列高度近视治疗研究的突破不仅展现科研实力，更回应临床迫切需求。期待研究成果能加速转化应用，造福更多高度近视患者。
本文文献：
Jiang L, Zhao B, Li Q, Xie C, Hong J, Wan Y, Gong Y, Wu Z, Zou L, Miao YB, Shi Y. A Self-Generated Electricity-Driven Sclera reinforcement bionic piezoelectric patch for Management of High Myopia. J Nanobiotechnology. 2025 Jul 1;23(1):470. doi: 10.1186/s12951-025-03493-w. PMID: 40598551; PMCID: PMC12211304.
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