自1880年压电现象被发现以来，压电材料这种可以实现力与电相互转化的特性受到了众多学者的关注和研究[10]，如机电传感器、纳米发电机、声学设备和致动器等。在2010年，HONG等[11]学者于首次提出了将电化学能转化为化学能的压电-电化学效应机制。他们通过对ZnO微纤维和BaTiO3施加超声波在材料表面上产生了感应电势，使电荷与水分子反应产生H2和O2，后来也被称为“压电催化效应”。随后在2012年HONG等[12]发现BaTiO3压电催化可以降解酸性橙7染料，首次将压电催化用于降解污染物的环境治理领域，随后也有学者利用压电催化降解如罗丹明B、亚甲基蓝及甲基橙等有机污染物的相关研究，并使用不同的自由基清除剂证明有不同的活性氧自由基产生[13]。在2016年，TAN等[14]学者在铌酸钾钠(Na0.5K0.5NbO3)材料的正极化一侧表面观察到有大量活性氧生成，催化生成活性氧的发现极大地推动了压电材料在环境污染物处理和生物医学等领域的研究和发展。在2018年，FENG等[15]通过研究纳米/微米BaTiO3在超声作用下对大肠杆菌的抗菌性能，发现超声与压电催化相结合具有较大的抗菌潜力，且压电催化与超声机械作用之间存在协同抗菌效应。在2021年，WU等[16]用立方相钛酸钡负载金纳米颗粒形成一种纳米复合材料(简称为Au@BTO)，使用低频超声波作用于材料后生成大量活性氧，该材料不仅在体外和动物体内表现出优异的抗菌效果，而且还能促进小鼠感染伤口的愈合，进一步拓展了压电材料在抗菌领域的应用场景。在2022年，张欢[17]改进了合成方法制备了均匀孔径的三维多孔聚偏氟乙烯膜，有效提高了有机压电材料聚偏氟乙烯的力学敏感性以及压电性，并对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出优异的抗菌性，提高了有机压电材料的抗菌性能，见图4。



2.1   压电材料的特性   
2.1.1   压电效应   压电性(Piezoelectricity)最早是由P. Cure和J. Curie于1880年发现，因他们观察到材料在受到机械力时有电荷产生的现象而来。“压”代表施加压力，“电”则对应电子的移动，故具有压电性的材料被称为压电材料。压电性与材料晶胞中正负电荷的非中心对称分布有关，当沿某方向对材料施加外力时，会发生拉伸、挤压或弯曲等变形，晶胞偶极矩发生变化，引起带电粒子的移动而产生净电荷，从而在材料上产生电势差形成电场[10]。当压电材料对施加的外力进行响应后可产生电荷，这种将机械能转化为电能的现象称为正压电效应；而将压电材料置于特定电场中可使材料产生形变，这种将电能转化为机械能的现象称为逆压电效应[6-18]，见图5。




压电材料包括无机压电材料、有机压电材料、复合压电材料和生物压电材料，常见的无机压电材料有BaTiO3，SrTiO3，ZnO，MoS2和羟基磷灰石等；有机压电材料有聚偏氟乙烯等；复合材料可有不同无机材料之间以及无机材料与有机材料的复合材料，如掺杂Li的Na0.5K0.5NbO3、掺杂BaTiO3的水凝胶等；生物压电材料骨骼、牙本质、肌肉和神经等[19]。非极性晶体的压电材料在无应力作用状态下不会产生电偶极子，在应力作用下使电荷中心分离产生电偶极子，从而产生感应压电势，典型例子为石英。也有部分压电材料属于极性晶体，由于正负电荷的分离，在无应力作用和无电场状态下也可表现出自发极化，典型例子为氧化锌[20]。有研究发现，生物体内的骨组织也存在压电现象，产生的负电荷具有促进骨细胞功能和新骨形成的作用，这种生物压电现象在骨发育和骨折愈合中发挥着重要作用[21]。
2.1.2   压电催化   压电效应过程中产生的带电粒子，可在材料的表面与周围介质发生化学反应，这种特性称为压电催化。目前关于压电催化发生的机制和理论仍存在争议，但能带理论和屏蔽电荷效应两种观点得到了众多学者的认可。受光催化启发的能带理论认为压电催化反应的能力主要取决于能带水平(价带和导带)，在该理论中，压电势在很大程度上充当了“闸门”的角色，通过调整能带结构和控制内部载流子流向材料表面，使得反应得以进行。另一种理论，即屏蔽电荷效应，强调了压电势和相关外部屏蔽电荷(即来自表面带电的吸附物)的关键作用。更具体地说，压电势作为驱动力，应完全达到或超过特定反应所需的吉布斯自由能变化被认为是压电催化的先决条件。此外，不同于能带理论的另一个特点是，屏蔽电荷效应认为参与氧化还原反应的电荷是来自表面带电吸附物的屏蔽电荷，而非材料内部的电荷[22]。
压电材料的抗菌性能在一定程度与其催化效率有着紧密联系，催化效率越高代表在相同时间内催化生成的产物越多，而影响压电催化效率的因素有很多，如材料体系、形貌、异质结与掺杂、材料极化以及外部条件等[23-28]，见表1。近年来，压电催化除了在环境修复领域被广泛研究，也在固氮合成氨、还原二氧化碳及合成过氧化氢等方面引起人们的关注，使得压电催化及相关技术在能源转化和环境治理等领域的应用逐渐被人们关注[8-18]，为解决环境污染和能源危机问题提供了新视角，但目前对于压电催化的具体机制也尚未明确。




2.1.3   活性氧   活性氧是一类氧不完全还原所形成的化学物质的总称，主要包括超氧阴离子(O2??)、过氧化氢(H2O2)、单线态氧(1O2)和羟基自由基(·OH)等[29-30]。活性氧在正常生理代谢活动中有着广泛参与，在调节生物的各种生理功能方面起着重要作用，活性氧还是生物发育所必需的基础，然而产生过量的活性氧可导致氧化应激，涉及许多如癌症、神经退行性疾病及炎症等疾病的发生和发展过程[31-33]。由于纳米材料和技术的飞速发展，人们发现了多种具有调控活性氧的纳米材料，可在生物环境中调控活性氧的时空分布，从而形成了一种新一代的治疗方法，即纳米材料引导的体内活性氧治疗[34]。
事实上，与其他真核细胞类似，细菌也具有内源性的抗氧化防御系统来中和外来的异常氧化剂，并将其转化为无害的产物[35]。因此，纳米材料想要获得理想的抗菌效果，高活性氧生成效率是保证氧化应激显著高于细菌耐受阈值的前提，从而发挥抗菌效果。大多数学者认为，催化产生大量的活性氧在压电材料的抗菌作用中发挥了重要作用。活性氧的抗菌效应可分为细胞外氧化和细胞内氧化，细胞外氧化即脂质过氧化，是指活性氧可与生物膜的磷脂、膜相关的酶、膜的侧链多不饱和脂肪反应，形成脂质过氧化产物，因此，细胞膜的流动性和通透性改变，细胞内容物发生泄露，最终导致细菌功能和结构变化，甚至死亡；细胞内氧化及氧化应激，是指细胞的氧化和抗氧化失衡并趋向过氧化，破坏细胞内的蛋白质和核酸结构和功能，导致细菌细胞功能障碍并最终死亡[36-37]，见图6。




此外，真核细胞中的活性氧可以刺激线粒体释放casepase第二激活物进入细胞质，抑制抗凋亡因子，同时释放细胞色素C，参与构成凋亡小体，形成内源性诱导细胞凋亡途径[38]。活性氧的细胞毒性以及对DNA的损伤均会激活RIP激酶，将坏死信号转达到线粒体，线粒体破坏激活多种蛋白酶和磷脂酶，导致细胞膜破裂，导致细胞坏死[39]。活性氧不仅可以诱导细胞凋亡，还可以通过促进Mec1形成、促进Snf1对Mec1磷酸化诱导细胞自噬，从而导致细胞内蛋白质或细胞器发生降解[40]。过量活性氧与多不饱和脂肪酸及其衍生物相作用导致大量脂质过氧化，随后引起的细胞膜损伤从而导致细胞铁死亡[41]。
2.1.4   声动力治疗   超声波作为一种外源性机械力源，具有可控性强、非侵入性、非电离性和组织穿透性强的特点，已被广泛应用于许多生物医学应用，如超声检查、高强度聚焦超声 、低强度聚焦超声及声动力疗法[42]。声动力疗法作为一种低强度超声与压电材料(声敏剂)的结合，被认为是一种很有前景的癌症治疗替代方案，作为一种新兴的癌症治疗方式，其抗肿瘤机制复杂，活性氧被认为是主要机制。目前关于声动力疗法产生活性氧的途径主要有两种说法：一种是“声致发光”，即用超声波作用于溶液时可产生光，声致发光可以进一步激发声敏剂产生电子-空穴对(e--h+)，然后产生活性氧，但声致发光确切机制尚不清楚；第二种是“高温分解”，在超声作用下形成许多气泡，气泡的形成、生长和破裂可使微环境的温度升高，声敏剂分解水产生自由基，自由基与其他内源性底物反应产生活性氧[36]。除了催化产生活性氧之外，超声还具有空化效应与机械力效应。空化效应是指在超声下气泡半径和压力呈不均匀状态，气泡可能在坍塌时出现反弹，或表现为膨胀或完全内爆的过程，主要分为惯性空化和稳定空化。超声的机械作用产生的剪切应力还可导致如增加细胞膜孔隙、激活机械敏感离子通道和促进胞吞作用等生物学效应[43]。超声波不仅可以作为外界机械力激发压电材料的压电效应，而且还可以极大提高压电催化的效率，因此利用超声波结合压电材料的相关研究得到了广泛关注。
2.2   压电材料的抗菌研究与应用   
2.2.1   细菌感染   是指由细菌在宿主体内繁殖及侵袭，在生物因子与宿主相互作用下导致机体产生以防御为主的一系列全身及局部组织反应的疾患。当致病菌突破了机体的皮肤、黏膜等屏障后，宿主的免疫系统可快速响应，吞噬细胞群如巨噬细胞、粒细胞和单核细胞等可对入侵细菌进行吞噬，同时释放大量炎症因子，促进更多免疫细胞的趋化、聚集、分化和激活下游信号通路，以控制感染防止感染进一步扩散[44-45]。一方面，细菌可合成包括脂多糖、外毒素及特殊水解酶等大量毒素可诱导细胞凋亡和破坏组织结构，如铜绿假单胞菌T3可合成Exo U等具有强细胞毒性的蛋白酶，这类蛋白酶可以抑制细胞的吞噬作用并促进细胞凋亡；另一方面，机体对感染的过度免疫可增加自身抗原识别并产生自身抗体，从而破坏宿主自身细胞和组织，可能会引起急性风湿热和风湿性心脏病等疾病。长期慢性感染甚至可能引发败血症、器官衰竭、弥散性血管内凝血、血栓形成和水肿，甚至诱发死亡[46-49]。
2.2.2   细菌生物膜   细菌生物膜是由细菌及胞外聚合物组成的复杂结构。胞外聚合物主要由细胞外多糖、核酸、蛋白质、脂质以及其他生物分子共同组成，在生物膜的结构和功能中起到关键的作用[50-51]。一方面，胞外聚合物可以促进微生物细胞黏附于物体表面，可将不同细菌包裹在一起，为其提供一个复杂且稳定的微环境，不同细菌之间可以在生物膜空间内进行相互作用[52]；另一方面，生物膜起到了屏障和保护作用，可以阻碍和延缓抗菌药物的进入，抵抗来自宿主免疫系统的攻击，从而增强细菌对抗生素和抗菌剂的抵抗性和耐受性[53-55]。除此之外，部分生物膜内的细菌还将进入休眠状态，从而躲避抗菌药物的作用，当外部条件适宜时再复苏进行生长繁殖[56]。临床上的感染通常是伴有生物膜形式的多种细菌混合感染，这极大地增加了抗菌治疗的难度。
2.2.3   抗菌相关研究   自从压电催化被发现以来，压电材便在抗菌领域得到了广泛关注和研究。在2016年，TAN等[14]在铌酸钾钠材料的正极化一侧表面观察到有大量活性氧生成，随后测试抗金黄色葡萄球菌的性能。在2020年，VERMA等[57]将不同浓度的铌酸钾钠(10%-30%)添加到1393生物活性玻璃(1393BG)中以改善其性能，并表现出不错的抗菌性。在2021年，吴聪[58]在钛金属表面合成了一种TiO2@BaTiO3纳米管涂层，该涂层还可负载盐酸万古霉素和纳米银，对药物进行控释，对金黄色葡萄球菌的表现出长效抗菌性。在2021年，WU等[40]用立方相钛酸钡负载金纳米颗粒形成一种具有异质结的纳米复合材料(简称为Au@BTO)，在体外和体内抗菌实验中均表现出优异的抗菌性能，细胞划痕实验结果表明可促进成纤维细胞和巨噬细胞迁，提示声动力生成的活性氧在体外和体内都具有显著的抗菌活性和促进组织修复的作用。在2021年，MONTOYA等[59]将纳米钛酸钡颗粒作为口腔树脂的填料，该复合材料可以抑制生物膜生长和促进再矿化作用。2022年，SHARMA等[60]通过合成NaNbO3/ZnO二元纳米复合材料并在超声波下研究该材料对牙齿美白和抗菌效果。
ZnO因具备良好的生物相容性受到广泛关注，研究发现ZnO不仅具有良好的抗菌性，还具备促进多种细胞系的黏附、生长、分化、成骨和成血管作用[61-62]。2022年，邓伟成等[63]利用3-氨丙基三乙氧基硅烷对ZnO进行改性，并与甲基丙烯酸酐化明胶、N，N-二甲基丙烯酰胺和α-甲基丙烯酸水凝胶进行掺杂得到ZnO掺杂水凝胶(简称为ZnO@GDM)，并用大肠杆菌来测试ZnO@GDM的抗菌性。
2022年，张欢[17]改进了合成方法合成均匀孔径的三维多孔聚偏氟乙烯膜，有效提高了PVDF的力学敏感性以及压电性，并显示出该优异的抗菌性。在2022年，LIU等[64]研制了一种压电材料复合可注射水凝胶，将四方相钛酸钡掺杂到由N-三羟甲基甲基丙烯酰胺、N-(3-氨基丙基)甲基丙烯酰胺盐酸盐和氧化透明质酸的水凝胶中，该复合材料在体外和体内都表现出了优异的抗菌性能。
表2以表格的形式分别从研究作者、研究年份、研究所用的材料、材料的生物相容性、体外与体内的抗菌效果以及用于抗菌研究的细菌种类来对上述研究进行汇总。在抗菌相关研究中，研究者们常以金黄色葡萄球菌和大肠杆菌分别作为革兰阳性菌和革兰阴性菌的代表来研究材料的抗菌性能。




动物实验在推动医学和科学进步方面起到了关键作用。通过动物实验，研究者们可以研究疾病的发展过程和药物的作用机制，从而为人类健康提供更有效的治疗方法。目前关于压电材料的动物体内抗菌性能研究常用到动物皮肤感染模型，以下介绍一些常用的动物皮肤感染模型的建立方法[65-68]，见表3。

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自抗生素被发现以来便成为了治疗细菌感染的最主要手段之一[1-2]。然而，随着抗菌药物的大量使用和滥用，加速了细菌耐药性的进化和传播，甚至出现了多重耐药细菌，也称为“超级细菌”[3-4]。细菌感染不仅会破坏宿主正常的细胞、组织及器官，甚至危及生命。感染耐药菌可导致患病时间延长、死亡率增加以及治疗费用增加，同时有效的抗菌药物变得越来越少[5-6]。因此，寻找其他新的抗菌治疗方式具有十分重要的意义。
压电材料是一类可以实现力与电互相转化的材料，被广泛研究并应用于高压电源、传感器、汽车、机器人、航天、环境清洁和医疗等领域。当压电材料受到特定外力作用后可在材料表面产生电荷形成感应电势，这种能够将机械能转化为电能的现象称为压电效应[2，7]。有趣的是，在激发压电效应的过程中产生的带电粒子可与周围介质发生化学反应，该过程被称为压电催化，常涉及氧化还原反应，带电粒子与周围介质反应生成活性氧[8]，活性氧包括超氧阴离子(O2•−)、过氧化氢(H2O2)、单线态氧(1O2)以及羟基自由基(·OH)等。活性氧可通过引起细胞氧化应激、脂质过氧化、蛋白质功能障碍和DNA损伤等途径最终导致细胞死亡，见图1，并且不会导致细菌产生耐药性[8-9]。这种新抗菌策略不需要依赖传统抗菌药物，且对细菌不具有选择性而表现出光谱抗菌性，已得到学者们的重视和研究，对未来的新型抗菌治疗具有较高的价值和应用前景。但目前的压电材料仍面临催化效率较低的问题，催化效率与材料体系、表面形貌、异质结与掺杂以及外界条件等因素息息相关，因此如何提高压电材料的催化效率成为了学者们关注和研究的热点之一。         以往关于压电材料在抗菌领域的综述，主要集中于总结压电材料的分类、合成方法、压电催化的部分机制和影响压电催化效率的相关因素，并未明确压电材料实现抗菌作用机制的讨论。文章主要总结了压电材料的特性与分类，着重讨论了目前有关压电催化机制的主要观点、活性氧在实现抗菌作用中的机制以及现有的相关研究现状。文章的目的在于阐明抗菌压电材料是一种极具潜力的用于细菌感染甚至耐药菌感染疾病的补充或替代治疗方案。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

1.1   资料来源   
1.1.1   检索人及检索时间   第一作者在2023年6月进行检索。
1.1.2   检索文献时限   2013年1月至2023年12月。
1.1.3   检索数据库   PubMed、Web of Science、中国知网和万方数据库。
1.1.4   检索词   中文检索词为“压电材料，压电催化，活性氧，抗菌，细菌感染，抗感染，耐药性”。英文检索词为“piezoelectric materials，piezoelectricity，piezoelectric catalysis，piezocatalysis，reactive oxygen species，ROS，bacterial infection，antibacterial strategies，anti-infection，drug resistance，drug-resistant bacteria”。
1.1.5   检索文献类型   符合主题的论著、综述和实验研究。
1.1.6   手工检索情况   无。

1.1.7   检索策略   包括英文及中文检索词、检索词的逻辑组配等，中文检索式以万方数据库为例：主题：(压电材料 OR 压电效应) OR 主题：(抗菌 OR细菌感染OR抗菌治疗 ) OR主题：(抗菌压电材料)。英文检索方式以PubMed数据库为例，见图2。

1.1.8   检索文献量   检索共得到中英文文献1 169篇，包括中文文献80篇、英文文献1 089篇。其中中国知网数据库38篇，万方数据库42篇，PubMed数据库873篇，Web of Science数据库216篇。
1.2   入组标准
1.2.1   PICOS问题   该综述旨在系统地检索和分析研究压电材料在催化和抗菌方面的基础研究和应用场景。 在调查过程中运用了参与者、干预、比较、结果和研究设计(PICOS)原则。具体地说，P (Paricopant)：细菌体外感染与体内感染动物模型；I (Intervention)：具有压电效应的材料；C (Comparison)：无；O (Outcome)：对体外感染与体内感染动物的抗菌效果； S (Study design)：基础研究。整个PICOS问题为：目前压电材料在抗细菌感染治疗中的抗菌效果如何？
1.2.2   纳入标准   ①研究对象：压电材料、压电催化以及在抗菌方面的效果及机制；②研究类型：符合PICOS原则，涉及体外实验及动物实验的基础研究。
1.2.3   排除标准   ①与主题无关、发表时间在2013年之前或重复性的文章；②研究数据偏少的文献。
1.3   文献质量评估及数据提取   初检得到文献1 169篇，通过阅读文题与摘要进行初步筛选，排除与研究主题不相关、研究设计不合逻辑及重复性高的文章，根据纳入和排除标准进一步筛选后，最后纳入文献68篇，其中纳入中国知网数据库文献2篇、万方数据库文献4篇、PubMed数据库50篇和Web of Science数据库12篇。文献筛选流程图见图3。

3.1   既往他人在该领域研究的贡献和存在的问题   压电材料因具备催化生成活性氧的特性在抗菌等生物学领域得到广泛重视和研究，众多学者既往的研究成果对发现压电材料的特性、理解压电催化的理论与机制、提高压电材料催化效率以及开发各种新型压电材料做出了巨大的贡献，也极大地促进了压电材料的发展，但是生成活性氧的催化效率低下的难题仍待解决，压电催化的具体机制理论以及活性氧发挥抗菌作用的具体机制仍未明确，压电材料应用于临床治疗仍有很多困难和挑战需要克服。
3.2   作者综述区别于他人他篇的特点   随着细菌感染和耐药性难题不断加重，压电材料催化产生活性氧具有优异抗菌性能引起越来越多国内外学者的关注。但国内外综述大多从材料角度、压电催化机制理论以及部分压电材料的抗菌研究角度进行总结。文章在回顾了既往关于压电材料特性及现有压电催化机制讨论的基础上，从提高催化效率以及活性氧发挥抗菌作用方面总结了关于抗菌压电材料的最新研究进展，并对未来压电材料在抗菌领域的应用进行展望。文章检索并总结了近年来压电催化的机制讨论以及抗菌压电材料在抗菌领域的相关研究，此外也对利用声动力疗法治疗细菌感染相关疾病的研究及应用前景进行分析，具有重要意义。
3.3   综述的局限性   文章简述了压电材料在抗菌领域中的压电催化与活性氧抗菌机制讨论和相关研究，以及声动力疗法在抗菌领域的部分研究，并着重总结了目前认为压电材料发挥抗菌性的潜在机制。然而现阶段研究中压电催化产生活性氧以及活性氧抗菌的确切机制尚未明确。
3.4   综述的重要意义   文章主要从压电材料的特性和压电催化概念出发，介绍了目前关于压电催化机制的主要观点、活性氧发挥抗菌作用的潜在机制以及声动力疗法的概念，然后列举了部分压电材料在抗菌研究领域的文献，最后对压电材料在抗菌领域的价值和应用场景进行讨论。希望读者阅读该综述后对压电材料以及其抗菌原理与价值有部分了解。
3.5   临床研究价值与应用场景   随着细菌耐药性的不断进化与传播，临床上有效的抗菌药物越来越少，尤其是针对出现多重耐药菌感染患者的治疗，形势越来越严峻。压电材料不仅具备良好的生物相容性而且在特定外力作用下可与周围介质催化生成活性氧，活性氧可以破坏细菌生物膜、蛋白质、生物酶和核酸等，影响细菌细胞的功能和结构，甚至部分压电材料还可以释放抗菌金属离子(如锌离子和银离子等)，结合多种途径最终导致细菌细胞死亡。该抗菌方式不需要抗菌药物的参与，且不会导致细菌的耐药性难题，因此压电材料在抗菌治疗领域具备十分重要的临床研究和应用价值。
随着压电材料的快速发展，越来越多性能优异的压电材料被合成与研究，如无机材料之间、无机材料与有机材料之间等构成全新的压电复合材料。抗菌压电材料是一种极具潜力的用于细菌感染甚至耐药菌感染疾病的补充或替代治疗方案，结合超声的非侵入性、可控性与组织穿透性强等优点，未来可能以敷料、抗菌支架、药物或树脂充填材料等形式进入临床，被用于如糖尿病足感染、烧伤与烫伤后大面积皮肤感染、骨髓炎、牙周炎的治疗等。压电材料具有自身独特的优势，相信在以后会有更多新颖的开发和应用场景。寻找其他不依赖抗生素的治疗方式具有十分重要的意义，利用压电材料来抗菌将是一种非常有前景的抗感染方法之一，关于压电材料的抗菌研究需要医学、微生物学、化学、物理学和材料科学之间的多学科努力。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

抗生素被发现以后就成为了治疗细菌感染的最主要手段之一。抗生素的泛用和滥用，加速了耐药菌的进化与传播，有效的抗生素越来越少，这对人类的健康构成了严重的威胁。压电材料可通过催化作用产生活性氧，通过多种途径来破坏细菌，而且不会导致细菌产生耐药性。这种不依赖抗生素的抗菌方式具有明显的优势，可以对细菌进行无差别的杀伤，为以后的抗菌策略提供了一种新思路。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

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