中国粉体网讯 钛酸钡（BaTiO3）纳米颗粒因其优异的压电性能和生物相容性，组分和结构简单形貌、尺寸和压电催化活性可调等特点，近年来已被广泛用于生物医用领域。
钛酸钡在医学领域的应用本质
基于BaTiO3纳米材料压电性能在生物医学中的应用，本质上是由机械能激发材料产生的电子和空穴与生物体及其环境中的氧和水分子发生氧化还原反应，产生活性氧（ROS）以促进消毒灭菌、组织再生以及达到生物传感等目的。基于BaTiO3纳米材料铁电性能在生物医学中的应用，主要是通过弱电场激发改变材料的自发极化性能，利用局部电信号加速伤口愈合以及实现体内成像。
钛酸钡在医学领域具体应用
消毒灭菌
压电催化疗法（PCT）是目前用于肿瘤治疗的一种前沿方法。压电催化剂通过压电效应控制载流子迁移，抑制细胞增殖、诱导细胞死亡、阻碍肿瘤转移、抑制肿瘤血管生成和增强抗肿瘤免疫机制达到治疗效果。
传统用于抗菌治疗的银、铜等无机纳米材料和季铵盐、烷基化聚乙烯亚胺等有机分子材料在治疗过程中会导致耐药性与副作用。因此，如何实现靶向传输并可精准持续治疗成为医学关注热点。BaTiO3纳米材料上（BaTiO3@MMSa），细胞膜涂覆提供了材料的靶向功能，超声照射下BaTiO3@MMSa纳米材料可以靶向感染区域并快速产生ROS，针对性破坏细菌细胞膜功能，杀死细菌，加速伤口愈合。
组织再生
BaTiO3纳米材料促进组织再生的能力主要归因于极化面的暴露，在外界应力刺激下如超声刺激，电子从价带（VB）跃迁到导带（CB），导带的顶部升高，价带的底部降低，达到与自由基产生所需的电位一致。电子/空穴迁移至[001]极化面上与O2/H2O反应产生ROS。与非极化面相比，[001]极化面具有更大的催化比表面积和更短的载流子迁移距离。与神经祖细胞共培养并施加超声刺激，利用BaTiO3纳米材料能够达到刺激神经元再生，促进神经祖细胞向成熟神经元分化的目的。
虽然BaTiO3纳米材料的压电性能优异，但其机械强度相对较低，容易在温度变化或电场作用下产生内部应力，导致内部产生裂纹和缺陷，因此很少单独植入生物体内。通常将BaTiO3纳米材料与兼具柔性和生物相容性的聚合物材料复合以提高柔韧性。例如将BaTiO3纳米材料与硅酸盐矿物材料进行复合，利用两种材料的优势来提升压电陶瓷材料性能。
伤口愈合
皮肤损伤时患处电位低于完整表皮，此时完整表皮朝向伤口中心形成横向电场促进生长因子分泌，有助于伤口愈合。在传统生物材料聚二甲基硅烷中嵌入BaTiO3纳米颗粒（PDMS-BaTiO3），基于材料的铁电效应，行走过程中诱导电荷形成，产生的电场充当皮肤两侧外加电场，当PDMS-BaTiO3产生的铁电场与伤口内源电场方向一致时，加速生长因子和免疫蛋白的分泌，达到加快伤口愈合的目的。
成像探针
BaTiO3纳米颗粒常被注入生物体内用于生物医学成像探针，BaTiO3纳米材料的非对称结构允许光子在材料中相互作用时产生二次谐波（SHG），电场刺激下材料极化状态发生变化，产生强烈SHG信号，可用于体内成像，其极化特性允许在低电场下也能产生清晰的图像，适用于软组织成像等领域。
此外，BaTiO3薄膜的极化响应可以用于检测外界信号的变化。将基于BaTiO3柔性聚合物换能器集成在超薄衬底上检测生命生理参数，能够同时满足顺应3D运动、机械柔性强、能够完美贴合外皮表面、材质轻薄可拉伸、反应灵敏等要求。通过静电纺丝和超声诱导吸附工艺得到聚多巴胺修饰的Pdop-BaTiO3@P（VDF-TrFE）复合薄膜，在人体运动的过程中持续识别运动行为的输出电压，能够收集生物力学能量，检测人体运动情况。
骨修复材料
钛酸钡是一种常见的压电材料，其在压电效应方面与骨相似，在承受机械力时材料内部的偶极矩发生极化从而产生电荷，在骨内形成电场，促进间充质干细胞的增殖与成骨向分化。还有研究证明，钛酸钡纳米颗粒（BaTiO3NPs）存在被间充质干细胞内化的趋势，其被内化后能够通过重塑间充质干细胞的骨架和增加其硬度来机械刺激间充质干细胞，进一步促进了成骨向分化；同时还发现，在有BaTiO3NPs存在的条件下，成骨过程中羟基磷灰石沉积物的形成显著增加。将钛酸钡与其他材料（如钛合金Ti6Al4V、硅酸钙等）通过3D打印制备出多孔的复合支架，具备适当的力学性能，提供足够的骨和血管向内生长的空间，提高承重区骨缺损处的修复效率。还有学者通过体外细胞实验和体内动物实验证明，具有电活性钛酸钡涂层的Ti6Al4V支架能显著增加成骨相关基因表达，促进了骨髓间充质干细胞的增殖和成骨向分化，并提高骨缺损部位骨重塑效果。
承重区的临界尺寸骨缺损是骨科手术中的一大临床挑战。2023年，Riaz等提出了一种创新的解决方案，结合电子束熔化和场辅助烧结技术，成功制备了具有承重能力的Ti6Al4V-BaTiO3压电骨支架。该支架能够在患者行走时将机械应力转化为电信号，刺激骨细胞活性，从而促进临界尺寸骨缺损的愈合。这种设计不仅展现了优异的压电特性和机械性能，还为骨组织再生与愈合提供了新的途径，具有重要的临床应用潜力。
肿瘤治疗
作为一种新兴的肿瘤治疗策略，压电催化药物能够以低成本有效根除肿瘤并抑制其复发，同时具有副作用少的优势，展现出巨大的临床应用潜力。2024年，Gong等首次将低剂量化疗药物与增强的声动力疗法（SDT）相结合，利用BaTiO3纳米颗粒作为声敏化剂治疗人类肿瘤类器官。研究表明，超声波激活的BaTiO3纳米颗粒能够生成活性氧（ROS），诱导肿瘤细胞氧化损伤，从而实现对肿瘤细胞的有效杀伤。
2024年，Li等报道了超声诱导的压电效应在油酸（OA）包覆的钛酸钡（OA@BaTiO3）中生成碳中心自由基（·R）的现象。研究发现，超声激发的OA@BaTiO3能够产生高反应性的·R，表明其在缺氧肿瘤治疗中的潜力。
结语
目前，这一新兴学科正处于起步阶段，在临床应用中仍面临BaTiO3纳米材料在生物体内的稳定性、耐久性和安全性等挑战。
参考文献
马俊男：钛酸钡纳米材料在生物医学中的研究进展，重庆科技大学
徐婷玉：钛酸钡压电材料在骨缺损修复中应用研究进展，中国医科大学
梁乾森：钛酸钡基压电材料的压电催化研究进展，南昌航空大学动力与能源学院
(中国粉体网编辑整理/昧光)
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