超声激活压电肌肉构建体用于组织工程再生性周围神经接口

《Bioactive Materials》：Ultrasound-activated piezoelectric muscle constructs for tissue-engineered regenerative peripheral nerve interfaces

　　

再生性周围神经接口（RPNI）是能够将神经活动转化为可控肌电信号的新兴平台。然而，当前临床RPNI依赖肌肉自体移植，限制了其可扩展性与广泛应用。研究人员报道了一种生物活性、超声响应的压电肌肉生物材料，作为自体移植的全组织工程替代方案。该构建体由基于纤维蛋白原的肌肉组织构成，富含钛酸钡纳米颗粒（BTNPs，直径～60?nm），并由可降解手术膜支撑，促进排列良好、多核肌管的形成。BTNPs的掺入赋予构建体本征压电活性，纳米颗粒被发育中肌管摄取，在低强度脉冲超声（LIPUS）下实现远程机械-电组织刺激。在体内，植入大鼠腓神经周围两个月的压电构建体经LIPUS驱动激活内化BTNPs，增强肌肉成熟与机电响应性，神经激活时产生高达3.2?mV肌电信号。组织学分析确认结构组织改善、desmin表达增加，以及工程化接口内新生血管与轴突再生的证据。这些发现表明压电构建体与周围神经形成稳定功能性生物接口，LIPUS驱动嵌入BTNPs激活为非侵入策略，可增强肌肉发育与信号转导。该研究将LIPUS响应工程化压电肌肉构建体定位为无供体、生物活性平台，替代传统自体移植用于下一代人机接口与再生生物电子学。

研究背景：外周神经损伤与截肢常导致运动功能与感觉反馈丧失，并可形成神经瘤，影响患者生活质量。再生性周围神经接口（RPNI）通过将离血管化、去神经的自体肌肉移植物植入神经近端残端，使神经轴突再生进入肌肉，产生可用肌电信号以控制假肢，是目前临床主流方案。然而自体肌肉移植存在供区并发症、移植物尺寸受血管化限制及坏死核心形成等问题，制约其推广。组织工程骨骼肌构建体有望替代自体移植，但既往研究多采用被动生物材料，植入后难以主动调控组织成熟。低强度脉冲超声（LIPUS）联合压电纳米材料可在细胞内产生局域电信号，促进肌肉与神经再生，但将该范式用于RPNI的长期体内验证尚未开展。研究人员因此设计一种基于纤维蛋白原、掺入钛酸钡纳米颗粒（BTNPs）并由Vicryl?膜支撑的工程化压电肌肉构建体（piezoRPNI），以LIPUS远程激活，评估其作为无供体RPNI替代平台的可行性。论文发表于《Bioactive Materials》。

主要关键技术方法：研究采用小鼠C2C12成肌细胞系包裹于纤维蛋白原-明胶-透明质酸-甘油水凝胶，掺入～60?nm PGA包被BTNPs（1000?μg/mL），浇铸于可降解Vicryl?网片形成3D肌肉构建体，体外分化至肌管后植入大鼠腓神经残端“三明治”包裹（动物队列为大鼠模型，术后1周起每周3次LIPUS照射持续1个月，总植入2个月）；以非LIPUS组为对照，经神经电刺激诱发记录肌电（EMG）信号，结合组织学（H&E、Masson三色、desmin、Neurofilament 200）、TEM、RT-qPCR及ICP-MS生物分布分析进行评价。

研究结果：

2.1 piezoRPNI的制备：水凝胶力学与BTNPs分散稳定性经流变与DLS确认；1000?μg/mL BTNPs无细胞毒性；Vicryl?各向异性约束引导肌管排列；7天培养后MYH阳性多核肌管形成，TEM证实BTNPs被肌管内吞于囊泡内；RT-qPCR显示LIPUS刺激后myh1、myh8、myog早期成肌基因上调，非压电二氧化硅纳米颗粒无此效应，证实压电-超声协同促分化。

2.2 神经刺激诱发电信号分析：大鼠腓神经植入2月后，LIPUS组在0.5–6.5?mA神经刺激下峰值振幅达3.2?mV级（2.5?mA时～3.53?mV），非LIPUS组中位仅0.17?mV；LIPUS组SNR（45–50?dB）与AUC显著更高，达到自体肌肉RPNI文献量级；信号具延迟始发、 Plateau招募特征，区别于无细胞构建体被动传导，证明生物源性肌电输出。

2.3 组织学分析：LIPUS组肌纤维横截面积（CSA 192.3?±?29.1?μm²）显著大于非LIPUS组（142.8?±?19.2?μm²），desmin在3/4 LIPUS样本阳性而非LIPUS组缺失；血管密度与直径两组无统计差异，归因水凝胶促血管因子；神经再生方面NF-200面积无差异，但LIPUS组髓鞘纤维直径（4.77?±?0.19?μm）显著大于对照组（3.27?±?0.25?μm），髓鞘厚度略增，提示LIPUS促轴突成熟而非数量；ICP-MS显示Ba/Ti在肝心脾肺肾血中浓度与生理背景同量级，无系统毒性迹象。

2.4 研究局限与未来方向：未直接测量体内压电电荷或膜电位，缺无BTNPs+LIPUS体内对照；信号长尾衰减含电极-组织界面容性贡献；麻醉下记录；需药理学阻滞与力同步测量进一步验证。但本研究为首个超声响应压电RPNI体内功能证明。

讨论总结：研究人员指出piezoRPNI创新不在单一组分而在“工程组织+压电纳米+超声”一体化活性接口范式，突破被动支架思路；LIPUS通过BTNP intracellular piezoelectric transduction产生～35?μV局域电压（基于PFM d₃₃ 118.6?pm/V估算），虽不足以全细胞去极化，但可调制离子通道与兴奋-收缩偶联早期通路，加速desmin等成肌蛋白表达，使2月成熟水平逼近自体移植3月效果。该平台规避供区病损与移植物尺寸瓶颈，为多自由度假肢控制与神经瘤治疗提供路径。

结论部分翻译：本研究提出一种基于工程化肌肉构建体的生物活性RPNI新方案（piezoRPNI），由成肌细胞负载纤维蛋白原水凝胶掺入压电BTNPs并经LIPUS刺激构成，Vicryl?可降解膜辅助外科操作。体外支持肌管形成，体内包裹大鼠腓神经后LIPUS组肌电响应达生理相关量级（最高3.2?mV），组织学证实LIPUS关键促肌肉成熟与髓鞘轴突直径增大，而水凝胶组分主导血管化。该集成物理刺激响应型组织工程接口超越被动再生材料范式，为下一代人机接口与再生生物电子学提供无供体替代，并拓展至神经瘤与体积性肌肉缺失治疗场景。