《Acta Biomaterialia》：Early electrical stimulation promotes functional recovery after volumetric muscle loss
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容积性肌肉缺失（VML）超出了骨骼肌固有的再生能力，导致持续性功能缺陷，且目前缺乏常规有效的治疗方法。电刺激（ES）是一种有前景的再生性调控手段，但在损伤后急性期窗口内持续施加电刺激，一直受限于现有刺激电极的电化学性能以及针式电极每次治疗所需的反复麻醉，这限制
容积性肌肉缺失（VML）超出了骨骼肌固有的再生能力，导致持续性功能缺陷，且目前缺乏常规有效的治疗方法。电刺激（ES）是一种有前景的再生性调控手段，但在损伤后急性期窗口内持续施加电刺激，一直受限于现有刺激电极的电化学性能以及针式电极每次治疗所需的反复麻醉，这限制了啮齿动物模型中的每日给药频率。在此，研究人员报告了一种完全植入式生物电子系统，其中对多股不锈钢电极进行纳米多孔铂（NanoPt）修饰，为该大鼠胫骨前肌（tibialis anterior）VML模型中安全、可重复的刺激提供了所需的高电荷存储和电荷注入能力。电化学表征证实，多孔NanoPt表面降低了阻抗，提高了电荷存储和注入能力，并且在模拟肌肉的仿体组织中经过48小时连续刺激后仍保持稳定。该电极平台能够在清醒、自由活动的动物体内实现每日治疗性刺激和肌电（EMG）记录，消除了经皮针式电极在早期给药窗口期间每次治疗所需的麻醉。在损伤后急性期接受ES的动物（第0–14天共10次治疗）表现出持续的功能改善，8周时达到基线扭矩的90%，而未受刺激的对照组为71%，这反映了受损肌肉重塑的增强而非协同肌的代偿性补偿。组织学分析显示，血管化、促再生巨噬细胞和卫星细胞的早期增加与功能改善相伴出现，并在时间上先于功能改善。通过将生物材料赋能的电极平台与明确的刺激方案相结合，本研究确定了损伤后急性期是一个可治疗的干预窗口，并为将生物电子干预与工程化支架及其他再生生物材料相结合治疗创伤性肌肉缺失提供了基础。
论文解读文章
一、研究背景与问题提出
创伤性肌肉损伤，特别是容积性肌肉缺失（VML），是指肌肉组织的不可逆性丢失超过了机体自身的再生能力。这类损伤以慢性炎症、纤维化瘢痕和神经肌肉修复障碍为特征，导致持续性功能缺陷，构成了重大的临床负担：在军事人员骨科创伤中，肌肉损伤占残疾评定的65%，而平民群体中VML也常继发于开放性骨折、枪伤和手术切除。目前的临床干预手段，包括物理康复、矫形支具和自体肌瓣移植，大多属于姑息性治疗，均无法可靠地恢复丢失的肌肉结构和产生力量的功能。因此，迫切需要能够主动促进协调性神经肌肉再生的治疗策略，而非仅仅减轻残疾。
电刺激（ES）通过表面或植入电极施加受控电脉冲，去极化周围神经和/或肌纤维，引发反复收缩和活动依赖性信号传导，从而塑造肌肉性能和重塑。在较小的、可自行恢复的神经肌肉损伤中，急性损伤期（0–2周）启动的每日ES可加速肌肉结构和功能的恢复，并支持神经元完整性。然而，早期ES能否改变VML特有的功能障碍性愈合模式，此前尚未得到证实。
既往研究存在两大障碍。其一，大多数啮齿动物VML研究通过经皮或经皮穿刺针式电极递送ES，这需要反复全身麻醉，限制了给药频率，并阻碍了在急性炎症期进行持续干预。其二，功能读数可能被完整协同肌的肥大性代偿所混淆，使扭矩改善难以归因于受损肌肉内部的再生。此外，压电材料策略虽能将机械形变转化为瞬态电信号，但其治疗刺激的时机、幅度和持续时间无法独立于伤口力学进行设定，而恰恰是VML后这些变量受到破坏。因此，亟需一种能够解耦电刺激剂量与不可预测的伤口内力学、同时避免反复麻醉的植入式平台。
二、研究设计与技术方法
研究人员开发了一种完全植入式生物电子系统，用于大鼠胫骨前肌（TA）VML模型。研究采用Sprague-Dawley大鼠（Charles River Laboratories），随机分为三组：VML+电刺激（VML+ES，n=28）、VML无刺激（VML+NS，n=28）和未损伤接受刺激的对照组（ND+ES，n=8）。主要技术方法包括：
第一，纳米多孔铂（NanoPt）电沉积修饰：通过循环伏安法在不锈钢多股电极表面沉积NanoPt，利用其三维纳米多孔结构将电化学可及表面积提高一至两个数量级，从而提升电荷存储容量（CSC）和电荷注入容量（CIC）。
第二，电化学表征体系：采用电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）评估电极性能，并在模拟肌肉电导率的组织仿体（15%明胶、0.2% NaCl）中进行48小时连续刺激稳定性测试，以及重复插入稳定性测试。
第三，体内植入与电刺激方案：在VML缺损创建后立即植入电极，第0–7天、第10天和第14天共进行10次每日1小时的双相恒流脉冲刺激（1 ms/相，20 Hz，50%占空比），在清醒自由活动动物中递送，避免针式电极所需的每次麻醉。
第四，功能与组织学评估：每周测量最大等长背屈扭矩，记录自发肌电（EMG）活动，并在多个时间点进行Masson三色染色和免疫组织化学分析，量化肌纤维面积、血管密度、CD163?巨噬细胞和Pax7?卫星细胞密度。
三、研究结果
3.1 完全植入式生物电子系统实现VML后每日刺激与监测
研究人员开发了完全植入式系统，可在无需反复麻醉的情况下递送精确计时的电脉冲并记录肌肉活动。该系统在损伤后急性期（第0–7天、第10天和第14天，共10次）递送1小时刺激。三组动物的缺损大小（约占TA质量18.8%）和体重增长无组间差异。
3.2 纳米多孔铂修饰创建高容量电极界面
扫描电镜证实NanoPt沉积在保持多股几何结构的同时引入了致密的三维多孔表面纹理。EIS显示1 kHz阻抗显著降低，相位角向电容性行为偏移。循环伏安法显示总CSC较裸不锈钢增加约180倍（49.6 ± 9.2 vs 0.28 ± 0.11 mC cm?2），电压瞬态测量证实CIC相应增加。EDS元素分析确认Pt在沉积后、25次插入后及8周体内取出后均保持主导信号，表明涂层在植入期间得以保留。
3.3 NanoPt电极在长时间刺激下保持电化学稳定
在组织仿体中，裸不锈钢电极在刺激3小时内产生可见气泡，而NanoPt电极在48小时连续刺激后无气体产生或表面氧化，EIS和CV显示1 kHz阻抗和CSC无显著变化。重复插入测试显示，25次插入后NanoPt的CSC下降36%，但1 kHz阻抗无显著变化，且保留的CSC仍比裸不锈钢高约200倍。体外细胞相容性测试显示，NanoPt和裸不锈钢电极与C2C12成肌细胞共培养2天和7天，活力均超过95%，且不影响肌管形成。
3.4 植入电极在体内保持稳定接触并揭示ES对神经肌肉活动的早期保护作用
在7天治疗窗口内，引发可见肌肉收缩所需的电流从第0天的2.6 ± 1.0 mA稳步下降至第6天的1.8 ± 0.7 mA（线性趋势0.13 mA/天，P=0.005），表明电极-组织耦合改善而非退化。电压瞬态在0–6天内保持电荷平衡且无漂移。8周取出电极的1 kHz阻抗从植入前的75.3 ± 10.8 Ω适度增加至107.6 ± 26.2 Ω（P=0.028），仍处于有效电荷递送所需范围内。
自发EMG记录显示，第1天三组爆发特征相同，但第4天VML+NS动物的远端-近端爆发事件比降至0.76 ± 0.17，显著低于ND+ES（1.08 ± 0.22，P=0.0087）和VML+ES（1.10 ± 0.26，P=0.0070），表明ES保护了缺损远端组织的兴奋性。
3.5 早期电刺激改善VML后的长期功能恢复
VML后所有损伤动物立即出现约40%基线的扭矩缺陷。第2周时VML+ES动物恢复的扭矩显著高于VML+NS（+32%，P=0.0004），该优势持续至第8周（+27%，P=0.0080）。VML+NS在第8周稳定于基线的71 ± 13%，而VML+ES达到90 ± 13%，与未损伤的ND+ES对照组无统计学差异（P=0.158）。ND+ES扭矩在8周内无变化，排除ES单独诱导肥大的可能。
3.6 电刺激保留TA质量而不诱导EDL代偿
第8周时，VML+NS的缺损-对侧TA质量比显著低于ND+ES（P=0.0097）和VML+ES（P=0.0157），而VML+ES与ND+ES无差异。EDL质量在所有组中均增加约20%，但三组间无差异（P=0.69），排除协同肌代偿性肥大。肌纤维横截面积（CSA）分析显示，VML+ES动物具有更大比例的大纤维（>3500 μm2）和更高的平均CSA（P=0.0023），而EDL纤维大小分布无组间差异。
3.7 电刺激促进损伤部位的协调性再生重塑
Masson三色染色显示，VML+ES在第3天（P=0.0441）、第1周（P=0.0336）和第2周（P=0.0440）保留了显著更多的肌纤维面积。血管密度在第3天显著升高（P=0.0058），主要由新生血管驱动。CD163?（M2型促再生巨噬细胞）密度在第3天（P=0.0186）和第2周（P=0.0231）显著升高。Pax7?卫星细胞密度在第1周（P=0.0465）和第2周（P=0.0469）显著增加。
四、讨论与结论
本研究表明，VML后早期每日电刺激可显著改善长期功能恢复。通过克服既往方法反复麻醉限制的完全植入式系统，损伤后急性期递送的ES（两周内10次）既加速了功能恢复，又在第8周将背屈扭矩恢复至接近正常水平。功能获益反映的是TA重塑增强而非协同肌代偿，这由TA质量和纤维大小的保留以及EDL无差异变化所证实。
ES的功能获益似乎源于急性损伤窗口期对神经肌肉结构的保护。ES从第3天至第2周增加了肌纤维含量，并在第4天维持了跨越缺损的EMG爆发传播，表明刺激保护了肌肉和神经组织免于早期退化。由于未损伤动物接受ES（ND+ES）无扭矩增益，预先存在纤维的肥大并非主要机制。ES通过直接刺激肌肉，绕过完整神经支配的需求，恢复模式化收缩活动，预期支持神经肌肉接头的维持和重建。
本研究通过将生物材料赋能的电极平台与明确刺激方案相结合，确定了损伤后急性期是一个可治疗的干预窗口，并为将生物电子干预与工程化支架及其他再生生物材料相结合治疗创伤性肌肉缺失提供了基础。该工作推进了电极-生物材料概念，证明纳米结构界面能够提供所需的电荷存储和注入能力以及慢性电化学和机械稳定性，以在清醒、自由活动的动物体内收缩的肌肉伤口中重复刺激——这是既往在平面阵列上表征的纳米结构电极未曾展示的能力。
