可注射的水凝胶，帮助受损的肌肉/神经再生

让我们想象一下你正在大海中畅游，突然一只巨大的鲨鱼靠近，并咬下了你大腿上的一块肌肉，导致你的腿部运动和感觉功能完全丧失。如果不及时得到治疗，这种严重的肌肉损伤将可能导致永久性的功能丧失和残疾。那么，你将如何从这种伤害中康复呢？

长期以来，针对这种类型的肌肉损伤，传统的康复方法一直在寻求一种高效的闭环康复系统，该系统融合了轻质外骨骼和可穿戴/植入设备。这些辅助假肢系统的作用是帮助患者恢复与神经和肌肉损伤相关的感觉和运动功能。不幸的是，现有的电子材料在机械性能和刚性方面存在问题，这使它们与软组织不兼容，可能引起摩擦和潜在的炎症，从而妨碍患者的康复过程。

为了克服这些局限性，韩国成均馆大学的Mikyung Shin教授以及基础科学研究所Donghee Son教授将目光转向了一种广泛应用的皱纹除皱填充材料——透明质酸。利用这种物质，研究人员研发了一种可注射的“组织仿生水凝胶”，该水凝胶可以在肌肉和神经组织再生的同时，临时填充缺失的肌肉和神经组织空隙。相对于传统的生物电子装置，这种材料的可注射性带来了显著的优势，因为传统的生物电子装置不适合用于狭窄、深层或小面积区域，并且通常需要侵入性手术。由于其高度类似生物组织的特性，这种水凝胶能够与生物组织无缝接触，无需手术干预即可轻松应用于难以触及的身体部位。相关成果以“Injectable tissue prosthesis for instantaneous closed-loop rehabilitation”为题发表在《Nature》上，第一作者为Subin Jin，Heewon Choi为共同一作。

体内注射的假肢必须符合特定的设计标准。这些装置必须由生物相容材料制成，以防止细胞死亡和组织损伤。它们需要具备柔软性，以避免对组织造成伤害，同时还需要具备机械强度，以确保耐久性。此外，最理想的情况是它们能够生物降解，这意味着在受伤组织恢复后不需要手术去移除它们。

在这篇报道中，导电水凝胶（IT-IC）的聚合物骨架是由透明质酸构成的。透明质酸是一种天然存在的多糖，具有与软组织相似的机械性能。IT-IC水凝胶包含不可逆的联苯键，可逆的强配位键，以及由联苯偶联和PB基团原位还原的导电金纳米颗粒（AuNPs）之间的强配位键，还包括氢键、金属π键和金属羧酸盐在多糖骨架上的相互作用。PB衍生的多键通过弱非共价键的解离以及在注射过程中的剪切应力下的联苯重排，共同实现了有效的能量耗散。因此，这种材料允许从肌肉产生的电信号通过机器人康复系统进行辅助传递。该康复系统具备能够进行周围神经刺激和监测反馈肌电图（EMG）的闭环系统，以实现精确的控制。

图1：可注射组织假体（IT-IC水凝胶）的设计及其接口应用

IT-IC水凝胶的表征

当水凝胶应用于经常遭受拉伤的组织（如骨骼肌）时，水凝胶的结构弱点成为一个重要问题。简单地在透明质酸骨架上引入更多不可逆的共价键并不是解决之道，因为这会使水凝胶过于坚硬而无法流动。在这项研究中，作者引入了可逆键，比如由六边形环提供的键，或通过氢键和离子相互作用形成的键，它们在凝胶被推入针头时能够在受到“剪切力”作用下破裂。这使得水凝胶在注射时可以轻松流动，但也意味着一旦水凝胶在受伤的肌肉中固化，可以快速重新建立键，从而实现长期的稳定性。

水凝胶内的可逆和不可逆交联相结合，适应了注射过程中的高剪切应力，确保了出色的机械稳定性。这种水凝胶还添加了金纳米颗粒，使其具有出色的电导性能。这种导电性能使电生理信号能够在受伤组织的两端之间有效传输。此外，水凝胶是可生物降解的，这意味着患者不需要再次接受手术来移除它。由于具有类似于天然组织的机械性能、出色的组织附着性和可注射性，研究人员认为这种材料提供了一种全新的康复方法。

图2：IT-IC水凝胶的物理化学和电学表征

肌肉-IT-IC水凝胶接口

随后，研究人员在啮齿动物模型中对这一新的概念进行了测试。为了模拟大体积肌肉损伤，他们从这些动物的后腿上移除了一大块肌肉组织。通过注射水凝胶假体，能够支持大鼠后腿受伤骨骼肌的再生，水凝胶假体在四周内几乎完全降解。重要的是，假体不会导致大鼠免疫系统的过度激活，也不会形成疤痕状纤维组织。

图3：通过IT-IC水凝胶注射的骨骼肌组织假体

研究人员还指出，他们的水凝胶能够牢固附着在大鼠后腿周围的神经上，并且可以连接到传统的电线。这使得研究人员可以使用水凝胶记录由于敲击大鼠脚而产生的感觉神经信号。这个过程是可逆的，作者可以通过向水凝胶施加电刺激来激活肌肉，同时将电极缠绕在神经周围。尽管传统的电极在长时间刺激后会损伤神经，但使用水凝胶施加相同电压时没有这种问题。

图4：IT-IC水凝胶在神经肌肉系统中的双向感觉和运动信号传导

最后，该研究团队将所有这些进展综合运用，将水凝胶应用于神经和肌肉周围，并将其连接到一个机器人系统，以支持动物在受伤后尽早康复。机器人被编程为在来自肌肉的电信号达到某个阈值时抬起动物的脚。然后，该系统通过神经触发反馈刺激来调整，这可以根据来自肌肉的电信号的强度进行调整。研究者发现，如果没有这种神经刺激，受伤的动物的肌肉无法产生足够强的信号来激活机器人。然而，通过水凝胶的神经电刺激，肌肉信号变得足够强大，可以与机器人协同作用，使受伤的动物能够在受伤后不久恢复行走。

图5：使用IT-IC水凝胶的C-RAR系统

小结

本研究开发的可注射导电水凝胶在电生理信号记录和刺激性能方面表现出色，具有扩大其应用的潜力。它为生物电子设备领域提供了一种新的方法，并有望成为用于康复支持的软组织假体。