导 语
当肌肉受伤时，肌肉与神经系统的电信号传导被中断，导致其无法正常运作。刚性假肢可以帮助受伤者移动，但这类装置并不能实质上恢复肌肉与神经系统的连接。有效的假肢需要能够双向传导电信号，即向肌肉传递刺激信号，同时从肌肉搜集反馈信号以了解康复进展。在《Nature》杂志上发表的文章中，Jin等人报道了一种由导电材料制成的柔性假肢，可以直接注入到受损肌肉中，帮助恢复这种电信号传导。
图1：IT-IC水凝胶可注射性的分子机制示意图。（图片来自原文）
1、研究背景
注入体内的假肢有特定的设计标准。这些设备必须由具备生物相容性材料制成，以防止细胞死亡和组织损伤。它们应该柔软以避免组织损伤，同时又要具有机械耐久性。在理想情况下，假肢材料应该是可生物降解的，这样在受伤组织再生后就无需通过手术将其移除。
对用于电活性组织的假肢则有更具体的要求。它们需要能够长时间以高灵敏度传导电信号，并且其激活免疫系统的能力应该受限，否则可能导致组织包裹植入的假肢并阻断电信号。迄今为止开发的组织界面假肢并不能满足所有这些要求。
2、研究概述
研究人员使用水凝胶作为材料制造柔性假肢。水凝胶是一种含有大量水分的膨胀聚合物网络。由于水凝胶具有流动性，其易于注入并能够完全填充和适应目标空间。然而，水凝胶的电导率较低且相对脆弱，这在长时间使用时可能会成为问题。为了克服这些限制，作者将水凝胶与其他材料相结合，每种材料都赋予其不同的优点。
图2：通过用IT-IC水凝胶填充受伤的肌肉（红色虚线框）或神经（蓝色虚线框）并进一步修复组织而实现的C-RAR（绿色虚线框）的描述。（图片来自原文）
这种水凝胶的聚合物主链为透明质酸，透明质酸是一种天然多糖，具有与软组织类似的力学性能。透明质酸被认为能促进组织再生，且可通过官能团连接其他分子。研究人员通过共价键将透明质酸与一种含有六元环的化合物连接起来，该六元环能够容纳金纳米颗粒。金是一种具有导电性、生物兼容性的惰性材料，因此尽管透明质酸本身不具有导电性，但其与金纳米颗粒混杂后即可获得导电性。
图3: a) IT-IC水凝胶通过PB衍生的联苯自偶联反应的凝胶化机制。b) 由HA组成的IT-IC水凝胶的储能模量( G ′)(蓝色)、损耗模量( G ″)(浅蓝色)和tanδ (红色)值(平均值±sd；独立样本n = 3) –PB高作为 NaOH/Au 3+比率的函数。c) 单独的HA-PB（黑色）、IT-IC@1（蓝色）和IT-IC@4（红色）的FT-IR光谱。d) IT-IC@4（绿色）封装异硫氰酸荧光素（FITC）在用罗丹明染色的骨骼肌组织（紫色）上的组织上适形接触能力。黄色虚线表示组织的边缘。比例尺：1 毫米。e) IT-IC@4 的散射强度I ( q ) 的小角 X 射线散射图案，作为散射矢量q的函数，注射前（灰色），以及注射后立即使用 23 的水凝胶丝G 针（浅蓝色）和注射后 60 分钟时的针（深蓝色）。f) 剪切变形过程中联苯环旋转重排的计算MD模拟。应变计算为dx（x轴方向的长度变化）/z（z轴方向的长度）（图片来自原文）
水凝胶的结构弱点在应用于承受重复应变的组织（如骨骼肌）时尤为突出。简单地在透明质酸主链上引入更多的不可逆共价键并不能解决问题，因为这会使水凝胶过于硬化而无法流动。研究人员引入了可逆联结，例如由六元环提供的键，或者含氢离子在内的离子间相互作用，凝胶被推过注射器时会产生剪切力，这些联结在剪切力的作用下会断裂，使得凝胶可以被轻松注射，而水凝胶在受伤的肌肉中凝固后，这些联结关系能够迅速重新建立，实现材料的长期稳定。
研究人员通过注射水凝胶假肢，能够支持大鼠后退受伤骨骼肌的再生，水凝胶假肢在四周内几乎完全降解且没有导致大鼠免疫系统过度激活或形成疤痕样纤维组织。
最终，研究人员将所有进展结合起来，将水凝胶应用在神经和肌肉周围，并将其连接到机器人系统，该机器人支持大鼠在受伤后较短时间内、清醒的情况下进行康复训练。机器人被编程为，当来自肌肉的电信号达到一定阈值时，抬起动物的脚。然后系统通过神经触发反馈刺激，该刺激可以根据来自肌肉的电信号的大小进行调整。
图4：a) 示意图显示了 C-RAR 系统的操作序列，该系统包括 IT-IC 水凝胶、机器人、跑步机以及自愈可拉伸袖带和肌外膜电极。C-RAR系统通过精确监测肌电图信号和反馈控制的电神经刺激，可以抬起大鼠受伤的右后肢。比例尺：1 厘米。b) 来自未对坐骨神经施加电刺激的VML损伤手术后3天的清醒大鼠的EMG信号。c) 照片显示受伤大鼠在没有机器人协助的情况下步态失败（脚拖曳、脚角度不规则和步态不佳）。d) 当使用袖带电极对坐骨神经施加电刺激时，VML损伤手术后3天的清醒大鼠的肌电图信号测量。e) 照片显示神经刺激触发即时机器人辅助，使受伤的老鼠能够以正常的步态和规则的脚部角度行走。c和e中的比例尺为 5 厘米。（图片来自原文）
3、研究意义与讨论
本研究为开发可注射假体提供了一种可行思路，即假肢可以通过电刺激以及触发组织再生来快速恢复受伤的肌肉功能。该研究是可注射导电水凝胶作为软组织假体的重要的实例，但其对人类的适用性还有待测试。由于老鼠受到的伤害比人类小，因此需要在大型动物中进行进一步的研究，以确定水凝胶是否可以在更长的距离上有效地传导信号。此类研究还将更好地验证此种水凝胶促进组织再生的潜力及其引发的免疫反应。人类肌肉再生所需时间也可能比大鼠的肌肉再生时间更长，因此需要进一步优化水凝胶的降解速度。
参考文献：
Jin, S., Choi, H., Seong, D. et al. Injectable tissue prosthesis for instantaneous closed-loop rehabilitation. Nature 623, 58–65 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06628-x
