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南京大學李承輝、南京兒童醫院鄭朋飛團隊 NSR：一種可用于治療大體積肌肉缺失的柔軟且超強韌多功能人工肌肉

2024-11-28 來源：高分子科技

大體積肌肉缺失（VML）是由創傷、手術切除、先天缺陷、腫瘤切除或神經去支配引起的肌肉大范圍喪失。由于肌肉喪失量超過其自我再生能力，VML常引發嚴重的功能障礙或損傷，顯著降低患者生活質量。當前，VML的主要臨床治療方法是自體移植。然而，由于供體肌肉量有限且移植后再生效率低等問題，病患的肢體功能恢復效果不理想。現有支架材料雖具有一定的促進肌肉生長能力，但難以兼顧低模量與高韌性，同時缺乏模擬天然肌肉復雜運動和力輸出所需的刺激響應能力，難以滿足復雜的臨床需求。

針對上述問題，南京大學李承輝教授團隊與南京醫科大學附屬兒童醫院鄭朋飛教授團隊合作，從天然肌肉的結構中汲取靈感，通過引入全氟聚醚（PFPE）和聚己內酯二醇（PCL）嵌段共聚的分子設計，精確調控聚合物鏈段間的相互作用，成功開發了一種柔軟且超強韌的多功能人工肌肉，用于治療VML。該材料具有與天然肌肉相似的生物力學特性，包括低彈性模量（5.27 ± 0.05 MPa）、高拉伸強度（72.67 ± 3.19 MPa）、超高韌性（742.02 ± 23.98 MJ m^-3）以及優異的生物相容性。通過體外細胞實驗和體內大鼠模型驗證，該人工肌肉能顯著促進成肌細胞的分化與排列，幫助血管生成，并在4周內完成肌肉功能恢復。此外，該人工肌肉還展現出類似天然肌肉的訓練增強與可逆致動能力，可用于假肢驅動器。該研究不僅為多功能支架的開發提供了創新的材料設計方案，也為人工肌肉的臨床應用開辟了新方向。相關研究以“A soft, ultra-tough and multifunctional artificial muscle for volumetric muscle loss treatment”發表在《National Science Review》上。南京大學博士研究生邱鵬飛和南京醫科大學附屬兒童醫院博士后強磊為論文共同第一作者，共同通訊作者為南京大學化學化工學院李承輝教授和南京醫科大學附屬兒童醫院鄭朋飛教授。

圖1. 基于仿生設計的類組織模量多功能人工肌肉開發。

PFPE作為軟段，因其極低的玻璃化轉變溫度（低于-100 ℃）以及高鏈段自由度和流動性，可以顯著提升材料的柔軟性。PCL作為易結晶的硬段，為材料提供了基本的力學強度。PFPE與PCL鏈內和鏈間相互作用（如偶極-偶極作用）促進了自組裝及微相分離結構的形成，同時抑制了PCL的結晶行為。因此，在室溫和無外力作用下，材料呈現非晶態，從而保持柔軟性。在外力拉伸作用下，聚集的非晶態聚合物鏈展開、伸直，并沿加載方向重新排列。這種結構轉變顯著增強了材料在拉伸方向的強度，在大變形下表現出強大的能量耗散能力，賦予材料高拉伸強度、高韌性、抗撕裂和抗穿刺性能。在循環拉伸過程中，PCL鏈段容易從非晶區中逃逸，形成沿加載方向的鏈間微晶結構，使材料表現出類似于肌肉的訓練增強特性。

圖2. PFPE_x-PCL_y的力學性能表征與性能比較。

圖3. 人工肌肉的訓練增強特性及機理研究。

此外，該材料展現出優異的形狀記憶特性與致動性能，能夠在受熱后迅速恢復至原始形態，具備高達600%的致動應變和1450 J/kg的致動能量密度。在熱刺激下，該材料可提拉超過自身重量5000倍的物體。同時，這種人工肌肉能夠在多次加熱與冷卻循環中，穩定實現往復的收縮和伸展動作，成功了模擬天然肌肉的致動功能，展現出在假肢驅動器領域的巨大應用潛力。

圖4. 人工肌肉的致動性能及抗撕裂、抗穿刺性能表征。

該人工肌肉展現出了極高的生物相容性，通過活/死染色和CCK-8細胞活力測試，證實該材料對肌細胞無毒性，且細胞活力與對照組相比沒有顯著差異，表明材料不會對肌細胞造成不良影響。在與C2C12肌細胞共培養7天后，通過肌鈣蛋白重鏈（MHC）染色顯示，在該人工肌肉上培養的肌細胞形成了沿材料拉伸方向排列的肌管，這表明材料能夠促進肌細胞的生長和分化，有助于肌肉組織的再生。在大鼠VML模型中，該人工肌肉被植入后，其出色的彈性和柔軟性使得材料能夠與殘余肌肉一起靈活運動，而不會因為傳統手術縫合和石膏固定而導致肌肉萎縮或關節功能障礙。此外，材料的高機械強度使得大鼠在支架植入后能夠維持日常活動。在植入后的組織學評估中，材料顯示出促進肌肉組織沿支架生長的能力，并且在4周后，再生的肌肉展現出良好的結構和形態。此外，通過CD31和α-SMA染色評估的血管再生也顯示出積極的趨勢，表明該人工肌肉有助于改善血管化，這對于肌肉再生至關重要。

圖5. 細胞毒性、體外增殖與分化能力及肌力測試評價。

圖6. 人工肌肉植入體內4周后血管生成與肌肉修復效果評估。

總結：受天然肌肉結構的啟發，作者通過調節PFPE與PCL鏈段的分子間相互作用以形成自組裝和微相分離結構，成功制備出一種兼具低彈性模量和超高韌性的多功能人工肌肉，可用于VML治療和假肢驅動。該材料憑借其形狀記憶特性，可在受熱后快速恢復至預設形狀，在假肢驅動器領域展現出巨大的潛力。此外，該材料具有優異的生物相容性，不僅能促進肌細胞的生長與分化，還可在體內植入后促進肌肉和血管的再生。這些優異的特性使得該人工肌肉成為一種極具前景的VML治療支架材料，同時為開發下一代肌肉修復材料和人工肌肉的臨床應用開辟了新的思路。

原文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae422

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（責任編輯：xu）

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