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背景介绍

容积性肌肉缺损（VML）常因创伤或手术切除导致超过肌肉内源再生能力的组织丢失，造成永久性结构和功能障碍。目前临床主要依赖自体功能性肌肉移植，但供区 morbidity 和有限的移植后再生能力导致功能恢复不理想。骨骼肌的兴奋-收缩耦联依赖于电信号传导，因此肌细胞对电刺激高度敏感。压电材料可将机械能转化为内源性电信号，在肌肉再生中具有巨大潜力，但传统压电材料如钛酸钡和聚偏氟乙烯存在生物相容性差或不可降解等问题，而氨基酸或短肽基生物压电晶体则脆性高、可靠性不足。

研究思路

针对上述挑战，空军军医大学牛丽娜教授、慕昭研究员与顾俊婷教授联合团队提出了一种利用没食子酸（GA）与胶原共组装以增强胶原纤维压电性能的策略。GA的多酚羟基通过氢键相互作用调控胶原的氢键网络有序性和二级结构，从而显著提升其压电响应。在此基础上，团队进一步结合盐析与预拉伸技术，构建了胶原纤维基压电材料（CFPM），该材料具有稳定的压电输出、与骨骼肌匹配的力学性能及各向异性结构。在超声激活下，CFPM产生的内源性电信号与定向拓扑结构协同作用，促进成肌细胞分化及有序肌管形成。在大鼠VML模型中，CFPM植入联合超声治疗显著增强了肌肉再生、减少了纤维化并改善了功能恢复。相关内容以 Enhanced Piezoelectric Collagen with Aligned Microstructure for Synergistic Electro-Topological Skeletal Muscle Regeneration 发表在 Biomaterials！

图片解析

图1. CFPM制备与应用示意图： GA与胶原共组装增强压电性能；盐析结合预拉伸进一步提高偶极取向度，同时赋予材料优异力学性能和高度有序微拓扑结构；在超声激活下，CFPM通过内源电信号与定向结构协同促进肌源性分化和组织再生。

图2. GA-胶原构建与表征： (a) GA与胶原共组装示意图；(b-c) SEM和AFM显示不同浓度GA处理后胶原周期性横纹结构保留，D-周期宽度由64 nm增至79–86 nm；(d) D-周期定量分析；(e) 共聚焦显示GA（绿色）与胶原（红色）高度共定位；(f-h) STED 3D和Z轴切片证实GA渗透入胶原纤维内部。

图3. 压电性能及增强机制： (a-b) PFM相位和振幅图像显示8 mM GA组压电畴取向最均匀、响应最强；(c) 振幅-电压曲线；(d) 有效压电系数d_eff达3.86 pm V⁻¹；(e) FTIR显示酰胺A、I、II带红移且半高宽减小；(f-g) 酰胺带放大图；(h-i) CD光谱和二级结构含量分析表明8 mM GA组有序结构增加，过量GA则导致有序度下降。

图4. CFPM力学与各向异性表征： (a) 胶原-明胶支架制备示意图；(b-c) 不同预拉伸应变下应力-应变曲线及模量和断裂伸长率，Col1/Gel2-100%组模量与天然骨骼肌匹配；(d) 各支架组与生理骨骼肌力学性能对比；(e) SEM显示预拉伸诱导高度取向纤维结构；(f) 孔径取向玫瑰图；(g) 偏光显微镜显示预拉伸后双折射结构增强；(h-k) SAXS/WAXS二维图及取向因子表明预拉伸使分子链取向度从0.2提升至0.7。

图5. 压电响应与细胞相容性： (a) 测试装置示意图；(b-c) CFPM在0.1–0.7 W cm⁻² LIPUS下电压和电流输出随强度线性增加；(d-e) 未预拉伸样品输出显著低于CFPM；(f) 100 μs持续刺激下电压信号稳定；(g) d_33从8.33提升至19 pC N⁻¹；(h) SEM显示CFPM上细胞沿孔轴延伸；(i-j) 鬼笔环肽染色及F-肌动蛋白取向玫瑰图显示CFPM+LIPUS组细胞取向最集中。

图6. CFPM诱导成肌分化： (a) 实验示意图；(b-e) RT-qPCR显示LIPUS+CFPM组Mef2a、Myog、Myh1和Tnni表达最高；(f) MyoG免疫荧光染色及(h)定量显示LIPUS+CFPM组阳性率最高；(g) MyHC染色显示LIPUS+CFPM组肌管最成熟；(i-k) 肌管数量、长度和融合指数定量均以LIPUS+CFPM组最优。

图7. CFPM促进VML后肌肉修复： (a) 实验时间线；(b-c) 第9周H&E和Masson染色显示LIPUS+CFPM组肌纤维排列紧密、纤维化最少；(d) MyHC免疫荧光显示该组肌纤维面积最大、排列最有序；(e) MRI T2加权像显示该组信号均匀，与正常组织最接近；(f) 肌纤维形态参数定义；(g-i) 横截面积、中心核肌纤维数和MyHC阳性面积定量均以LIPUS+CFPM组最优。

图8. VML后功能恢复： (a) 抓力测试显示LIPUS+CFPM组恢复至术前91%；(b-c) 步态分析示意图及足迹代表图；(d-h) 步态周期、步幅长度、规律性指数、打印面积和步频定量显示LIPUS+CFPM组各项指标均显著优于其他治疗组，恢复至接近未损伤水平。

结论

本研究通过GA共组装与盐析-预拉伸策略成功构建了具有增强压电性、各向异性结构和肌肉匹配力学性能的胶原纤维基压电材料CFPM。在超声激活下，CFPM通过内源电信号与定向拓扑结构协同促进成肌细胞增殖、有序排列和肌源性分化，并在大鼠VML模型中显著增强了肌肉组织再生和功能恢复。该材料降解速率与组织长入同步，为骨骼肌修复提供了一种有前景的治疗策略，同时拓宽了胶原基压电材料的应用潜力。

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