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南京大學(xué)李承輝、南京兒童醫(yī)院鄭朋飛團(tuán)隊(duì) NSR：一種可用于治療大體積肌肉缺失的柔軟且超強(qiáng)韌多功能人工肌肉
2024-11-28  來(lái)源：高分子科技

  大體積肌肉缺失（VML）是由創(chuàng)傷、手術(shù)切除、先天缺陷、腫瘤切除或神經(jīng)去支配引起的肌肉大范圍喪失。由于肌肉喪失量超過(guò)其自我再生能力，VML常引發(fā)嚴(yán)重的功能障礙或損傷，顯著降低患者生活質(zhì)量。當(dāng)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(wèn)題，病患的肢體功能恢復(fù)效果不理想，F(xiàn)有支架材料雖具有一定的促進(jìn)肌肉生長(zhǎng)能力，但難以兼顧低模量與高韌性，同時(shí)缺乏模擬天然肌肉復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和力輸出所需的刺激響應(yīng)能力，難以滿足復(fù)雜的臨床需求。


  針對(duì)上述問(wèn)題，南京大學(xué)李承輝教授團(tuán)隊(duì)與南京醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院鄭朋飛教授團(tuán)隊(duì)合作，從天然肌肉的結(jié)構(gòu)中汲取靈感，通過(guò)引入全氟聚醚（PFPE）和聚己內(nèi)酯二醇（PCL）嵌段共聚的分子設(shè)計(jì)，精確調(diào)控聚合物鏈段間的相互作用，成功開(kāi)發(fā)了一種柔軟且超強(qiáng)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(xué)特性，包括低彈性模量（5.27 ± 0.05 MPa）、高拉伸強(qiáng)度（72.67 ± 3.19 MPa）、超高韌性（742.02 ± 23.98 MJ m-3）以及優(yōu)異的生物相容性。通過(guò)體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)大鼠模型驗(yàn)證，該人工肌肉能顯著促進(jìn)成肌細(xì)胞的分化與排列，幫助血管生成，并在4周內(nèi)完成肌肉功能恢復(fù)。此外，該人工肌肉還展現(xiàn)出類(lèi)似天然肌肉的訓(xùn)練增強(qiáng)與可逆致動(dòng)能力，可用于假肢驅(qū)動(dòng)器。該研究不僅為多功能支架的開(kāi)發(fā)提供了創(chuàng)新的材料設(shè)計(jì)方案，也為人工肌肉的臨床應(yīng)用開(kāi)辟了新方向。相關(guān)研究以“A soft, ultra-tough and multifunctional artificial muscle for volumetric muscle loss treatment”發(fā)表在《National Science Review》上。南京大學(xué)博士研究生邱鵬飛和南京醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院博士后強(qiáng)磊為論文共同第一作者，共同通訊作者為南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院李承輝教授和南京醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院鄭朋飛教授。


圖1. 基于仿生設(shè)計(jì)的類(lèi)組織模量多功能人工肌肉開(kāi)發(fā)。


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


圖2. PFPEx-PCLy的力學(xué)性能表征與性能比較。


圖3. 人工肌肉的訓(xùn)練增強(qiáng)特性及機(jī)理研究。


  此外，該材料展現(xiàn)出優(yōu)異的形狀記憶特性與致動(dòng)性能，能夠在受熱后迅速恢復(fù)至原始形態(tài)，具備高達(dá)600%的致動(dòng)應(yīng)變和1450 J/kg的致動(dòng)能量密度。在熱刺激下，該材料可提拉超過(guò)自身重量5000倍的物體。同時(shí)，這種人工肌肉能夠在多次加熱與冷卻循環(huán)中，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)往復(fù)的收縮和伸展動(dòng)作，成功了模擬天然肌肉的致動(dòng)功能，展現(xiàn)出在假肢驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。


圖4. 人工肌肉的致動(dòng)性能及抗撕裂、抗穿刺性能表征。


  該人工肌肉展現(xiàn)出了極高的生物相容性，通過(guò)活/死染色和CCK-8細(xì)胞活力測(cè)試，證實(shí)該材料對(duì)肌細(xì)胞無(wú)毒性，且細(xì)胞活力與對(duì)照組相比沒(méi)有顯著差異，表明材料不會(huì)對(duì)肌細(xì)胞造成不良影響。在與C2C12肌細(xì)胞共培養(yǎng)7天后，通過(guò)肌鈣蛋白重鏈（MHC）染色顯示，在該人工肌肉上培養(yǎng)的肌細(xì)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(jìn)肌細(xì)胞的生長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)，而不會(huì)因?yàn)閭鹘y(tǒng)手術(shù)縫合和石膏固定而導(dǎo)致肌肉萎縮或關(guān)節(jié)功能障礙。此外，材料的高機(jī)械強(qiáng)度使得大鼠在支架植入后能夠維持日；顒(dòng)。在植入后的組織學(xué)評(píng)估中，材料顯示出促進(jìn)肌肉組織沿支架生長(zhǎng)的能力，并且在4周后，再生的肌肉展現(xiàn)出良好的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。此外，通過(guò)CD31和α-SMA染色評(píng)估的血管再生也顯示出積極的趨勢(shì)，表明該人工肌肉有助于改善血管化，這對(duì)于肌肉再生至關(guān)重要。


圖5. 細(xì)胞毒性、體外增殖與分化能力及肌力測(cè)試評(píng)價(jià)。


圖6. 人工肌肉植入體內(nèi)4周后血管生成與肌肉修復(fù)效果評(píng)估。


  總結(jié)：受天然肌肉結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，作者通過(guò)調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)，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(qū)動(dòng)。該材料憑借其形狀記憶特性，可在受熱后快速恢復(fù)至預(yù)設(shè)形狀，在假肢驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。此外，該材料具有優(yōu)異的生物相容性，不僅能促進(jìn)肌細(xì)胞的生長(zhǎng)與分化，還可在體內(nèi)植入后促進(jìn)肌肉和血管的再生。這些優(yōu)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(shí)為開(kāi)發(fā)下一代肌肉修復(fù)材料和人工肌肉的臨床應(yīng)用開(kāi)辟了新的思路。


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

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（責(zé)任編輯：xu）
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