《Biomaterials》：Enhanced Piezoelectric Collagen with Aligned Microstructure for Synergistic Electro-Topological Skeletal Muscle Regeneration
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摘要由于内源性再生能力有限以及现有疗法效果不佳，肌肉体积减少常常会导致不可逆的功能障碍。胶原纤维是一种压电生物材料，也是骨骼肌细胞外基质的关键组成部分。凭借出色的生物相容性、可变形性以及促进肌细胞增殖与分化的能力，胶原在肌肉修复和再生方面具有巨大潜力。然而，其本身较弱的压电性能、
摘要
由于内源性再生能力有限以及现有疗法效果不佳，肌肉体积减少常常会导致不可逆的功能障碍。胶原纤维是一种压电生物材料，也是骨骼肌细胞外基质的关键组成部分。凭借出色的生物相容性、可变形性以及促进肌细胞增殖与分化的能力，胶原在肌肉修复和再生方面具有巨大潜力。然而，其本身较弱的压电性能、结构紊乱以及机械性能不足限制了实际应用。本研究提出了一种利用没食子酸的共组装策略，通过没食子酸的酚羟基与胶原之间的相互作用来提升胶原的压电性能，这种相互作用有助于形成更有序的氢键网络，进而促使酚羟基有序排列。在此基础上，通过盐析和预拉伸处理制备出了基于胶原纤维的压电材料，该材料具有稳定的压电输出、与骨骼肌相匹配的机械性能以及各向异性结构。在超声作用下，该材料能够产生电信号，这些信号可与拓扑信号协同作用，促进肌母细胞分化及排列整齐的肌管形成。在大鼠肌肉体积减少模型中，植入该材料并配合超声治疗可显著促进肌肉再生、减少纤维化，并改善功能恢复情况。总体而言，本研究开发的具有有序微观结构的增强型压电胶原为肌肉体积减少的修复提供了一种极具前景的生物材料策略。
引言
肌肉体积减少是一种由创伤或手术切除引起的严重骨骼肌损伤，其程度超出了肌肉自身的再生能力，往往会导致永久性的结构和功能损害[1]。在临床实践中，当肌肉质量损失超过约20%时，通常被认为已超出有效内源性再生的阈值，不过这一阈值在不同物种和实验模型中可能存在差异[2]、[3]。目前，治疗肌肉体积减少的主要方法是游离功能性肌肉移植，但该方法存在供体部位并发症以及移植后再生能力有限的问题，从而导致功能恢复不彻底[4]。因此，开发有效的策略来促进肌肉再生仍是一个亟待解决的临床难题[5]。
骨骼肌的兴奋-收缩耦合依赖于电信号的传递[6]，因此骨骼肌细胞对电刺激具有高度敏感性[7]。研究表明，电刺激可通过促进肌管形成和抑制卫星细胞凋亡来增强肌肉再生能力[8]、[9]。那些能够将机械能转化为电信号的压电材料，在骨骼肌再生领域具有巨大应用潜力[10]。然而，传统的压电材料，如钛酸钡和聚偏二氟乙烯，存在生物相容性差和生物降解性低等问题[11]、[12]。尽管氨基酸和短肽等压电生物材料具有优异的生物相容性和生物降解性[13]、[14]，但大多数基于肽的压电晶体脆性高且可靠性不足，无法适应骨骼肌这种动态环境[15]、[16]。
相比之下，像胶原纤维这样的纤维状蛋白自组装体不仅具有内在的生物压电性，还具备良好的可变形性以及易于加工的机械性能[17]、[18]。胶原是骨骼肌细胞外基质的内源性结构成分，相比合成压电聚合物或无机压电填料，它能为肌肉修复提供更接近自然结构的平台[19]。除了本身的生物相容性和生物降解性之外，胶原纤维还能为肌纤维提供支撑并传递力量[20]。此外，胶原的天然纤维结构有助于维持与肌母细胞行为相关的仿生细胞-基质界面[21]、[22]、[23]。不过，目前许多电活性支架策略主要是通过在基于胶原的基质中引入外源性的导电或压电成分，而非增强胶原本身的机电性能[24]、[25]。虽然这类复合策略能够提高电活性，但可能会改变胶原的天然纤维结构，降低组织的仿生性，甚至影响生物相容性[26]。因此，提升胶原的压电性能的同时保持其天然的纤维结构，对于骨骼肌再生而言可能具有特殊价值。
研究表明，从原胶原到胶原纤维阶段，胶原纤维的压电系数可提高35%至50%，这说明调控纤维的组装方式是优化机电转换效率的有效策略[24]。在分子层面进行结构改造则能进一步增强压电效应，例如利用短肽中芳香族氨基酸侧链之间的相互作用来提升压电性能，或者通过对氨基酸进行羟基化修饰来显著提高压电系数[25]、[26]。此外，研究还表明，盐析与预拉伸相结合的处理方式能够在软水凝胶中构建出刚性的交联网络，从而在保持材料柔韧性的同时大幅提升其机械强度[27]，同时还能促使材料沿应力方向有序排列[28]。
基于以上考虑，本研究提出了一种基于胶原纤维的压电材料，该材料具有更高的压电性能、与肌肉特性相匹配的机械性能以及结构各向异性，可用于实现电拓扑驱动的骨骼肌再生（见图1）。通过没食子酸与胶原纤维的共组装，可在保留胶原纤维结构特征的同时提升其压电性能；而盐析与预拉伸处理则有助于优化胶原纤维的排列方式及其机械性能。在超声作用下，该材料产生的电信号可与有序的微观结构协同作用，促进肌母细胞有序排列并实现肌源性分化。在大鼠肌肉体积减少模型中，植入该材料并配合超声治疗可显著促进肌肉再生、减少纤维化，并改善功能恢复情况。总体而言，本研究提出的这种具有有序微观结构的增强型压电胶原材料，为肌肉体积减少的修复提供了一种极具前景的生物材料策略。
章节节选
GA-胶原的制备与表征
由于没食子酸是一种含有三个酚羟基的小分子，因此将胶原分子与不同浓度的没食子酸进行共组装，从而得到没食子酸-胶原复合物（见图2a）。通过扫描电子显微镜和原子力显微镜分别对这种复合物的微观结构进行了观察（见图2b和2c）。研究结果表明，没食子酸的引入并未影响胶原纤维的周期性带状结构。进一步的定量分析
讨论与结论
本研究开发出一种具有有序微观结构的增强型压电胶原材料，该材料能够显著促进肌肉体积减少后的肌肉再生，同时有助于恢复运动功能和肌肉力量。没食子酸与胶原纤维的共组装似乎改变了胶原的氢键环境及二级结构，这可能是该材料压电性能得到提升的原因。而盐析与预拉伸处理则进一步增强了
没食子酸与胶原的共组装
将浓度为2、4、8、15和30毫摩尔的没食子酸溶液与浓度为5毫克/毫升的胶原溶液按1:1的体积比混合，然后在恒温水浴振荡器中于25摄氏度、100转/分钟的条件下振荡培养8小时。之后，将样品在磷酸盐缓冲液和蒸馏水中透析72小时，每隔12小时更换一次透析液，以确保完全透析。最终得到的产物即为没食子酸-胶原纤维溶液[34]。
AF488-没食子酸 conjugate的合成
AF488标记的没食子酸是在避光条件下进行合成的
CRediT作者贡献说明
牛丽娜：写作——审阅与编辑、项目监督、资金获取、概念构思。顾俊廷：实验研究、数据统计分析、概念构思。穆兆：写作——审阅与编辑、项目监督、资金获取、概念构思。郝佳欣：写作——初稿撰写、实验方法设计、实验研究、数据统计分析、概念构思。王玉珠：实验方法设计。白奎：实验研究。党高鹏：结果可视化、实验方法设计。季英博：结果可视化、实验方法设计。唐瑞康：
数据可用性
本研究的相关数据可在合理请求下向通讯作者获取。
利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金委员会资助，项目编号分别为82325012、U25A2097和22575265。
Jiaxin Hao|Gaopeng Dang|Yingbo Ji|Yuzhu Wang|Que Bai|Yao Zhao|Zhiting Li|Ruikang Tang|Conrado Aparicio|Junting Gu|Zhao Mu|Lina Niu
中国陕西省西安市710032，第四军医大学口腔医学院修复科，口腔颌面重建与再生国家重点实验室，口腔疾病国家临床研究中心，陕西省口腔病学重点实验室
