综述：电刺激在肌腱修复中的潜在应用

电刺激（ES）可促进肌腱修复，本文综述相关材料应用及面临挑战与前景。

　　

肌腱损伤现状与修复难题

肌腱作为连接肌肉和骨骼的结缔组织，对人体运动起着关键作用。它主要由胶原蛋白、弹性蛋白、水和蛋白聚糖构成，内部胶原纤维呈有序的三维结构，这种结构赋予肌腱良好的力学性能，使其能高效传递肌肉力量，实现关节运动。

然而，肌腱损伤是一个日益严重的健康问题，全球每年约有 1 亿多人受其困扰。肌腱损伤的成因多样，包括创伤、慢性过度使用以及年龄相关的退变等。从病理生理角度来看，多种风险因素的积累会导致肌腱病变，最终引发肌腱撕裂或断裂。这些损伤不仅会造成疼痛、功能障碍，还会严重影响患者的生活质量，而且治疗成本较高。

目前，肌腱损伤的诊断主要依据临床症状和患者活动后的疼痛、僵硬程度检查。肌腱愈合是一个复杂的过程，涵盖炎症、增殖和重塑等阶段。但由于肌腱修复过程缓慢，且与应变相关，细胞和血管化程度低，常导致细胞外基质（ECM）紊乱，使得肌腱断裂后的治疗颇具挑战。现有的治疗方法，如早期的保守治疗（运动、非甾体抗炎药、冲击波疗法）和后期的手术治疗，都存在一定的局限性。保守治疗往往只能暂时缓解症状，而手术治疗可能引发再撕裂、肌腱粘连等并发症，影响患者的恢复效果。

肌腱的压电特性

生物电在生命系统中广泛存在，对早期胚胎发育和组织再生起着至关重要的作用。在细胞层面，细胞内的内源性膜电位差异会产生生物电，进而引导细胞的定向、迁移、黏附、增殖和分化等行为。在肌腱中，由于其特殊的结构，具有压电特性。

肌腱的主要结构蛋白是 I 型胶原蛋白（COL I），约占总胶原蛋白含量的 90% 和肌腱干重的 60%。肌腱的纤维组织排列规则，原胶原构成纤维，纤维与成腱细胞、肌腱细胞等构成纤维束，纤维束再构成肌腱基质。研究发现，胶原分子在横截面上的六边形堆积结构是其压电性的起源，当肌腱受到外力拉伸时，胶原纤维会产生电荷，使肌腱处于自身的电微环境中。通过压电响应力显微镜观察发现，人体肌腱存在不同尺度的压电区域，且单根胶原纤维的纵向压电系数比肌腱宏观测量值大一个数量级。此外，研究还表明胶原纤维具有单极轴向极化特性，其剪切压电常数约为 - d15? 1pmV?1 ，并且电流通过胶原纤维时电阻最小，倾向于沿胶原纤维方向传导。

压电材料在肌腱修复中的应用

压电材料能够将机械能转化为电能，在组织再生领域应用广泛。其原理是在机械应力作用下，材料原子结构瞬间变形，失去中心对称性，形成净偶极矩，导致正负电荷中心距离改变，从而释放表面自由电荷产生压电性。

在肌腱修复中，压电材料可作为支架，促进肌腱细胞的增殖和分化。例如，一些基于蛋白质、多糖、聚 L - 乳酸（PLLA）、丝素蛋白等制备的支架已应用于肌腱修复研究。PLLA 是常用的压电组织工程支架材料，添加氧化锌（ZnO）、钛酸钡（BTO）等可提高其压电性，刺激肌腱细胞增殖和分化，促进骨再生。研究表明，BTO 在受到机械应力时能产生稳定且可重复的电信号，这些信号与机械力一同传递到细胞膜表面的电压敏感和机械敏感离子通道，引起细胞内钙离子内流，增强细胞再生能力。此外，锶（Sr）是肌腱组织中含量较高的金属元素，四方相的 SrTiO3?(T?SrTiO3?) 在低温下具有明显的压电性，添加到聚合物中可为肌腱修复创造有利的电微环境。

压电材料还具有其他功能，如抑制细菌生长和定植。ZnO 在应力作用下可产生活性氧（ROS），有效消除细菌，具有较强的抗菌活性。同时，压电材料的压电效应能使其产生良好的氧化还原催化活性，还可模拟人体细胞的自然电流。一些压电设备植入体内后，可收集人体运动能量实现自供电，避免使用有毒电池。

直接电刺激促进肌腱修复

直接电刺激（ES）对肌腱愈合具有积极作用，多种方式的刺激，如体外冲击波、低强度脉冲超声、机械应力、直接 ES、联合磁场和运动疗法等，都被证明有助于肌腱愈合。直接 ES 可引导多种组织的发育和再生，促进细胞增殖、分化，最终促进 ECM 合成。

目前常见的 ES 设备包括直接耦合（DCP）刺激、电容耦合（CCP）刺激、电感耦合（ICP）刺激等。DCP 刺激需在损伤部位放置阴极，周围软组织放置阳极，可促进细胞分泌前列腺素、形态因子和生长因子，影响细胞功能。例如，经颅直流电刺激可用于治疗多种精神和神经疾病，还能促进前交叉韧带成纤维细胞的迁移和 COL I 的表达，有助于韧带愈合。CCP 刺激通过在目标组织两侧放置皮肤电极，施加低频交流电产生电场，已被美国食品药品监督管理局批准用于非侵入性骨生长刺激，也可用于恢复关节软骨的内环境稳态。ICP 刺激通过电磁线圈施加脉冲磁场，在组织内诱导产生随时间变化的二次电场，可用于抑制疼痛、调节细胞过程。研究发现，1.5 mT 的脉冲电磁场治疗对促进健康人肌腱细胞增殖、上调肌腱特异性基因表达、释放抗炎细胞因子和生长因子最为有效，还能促进大鼠急性双侧冈上肌撕裂修复后的肌腱 - 骨愈合。

直接 ES 在促进肌腱修复方面具有多重作用。它可诱导骨、软骨和肌腱等组织的发育，改善膝关节活动度、肌肉力量，减少疼痛。低频率 ES 能促进线粒体生物活化，影响巨噬细胞极化，抑制炎症反应。同时，ES 还能促进血管扩张、增强血管通透性、增加局部组织血流量。

导电材料助力肌腱修复

导电材料在组织再生中具有重要作用，其固有的导电性可在植入部位提供局部 ES，引导细胞定向排列和分化，促进受损组织修复。常见的导电材料包括铂 - 金合金、镁合金、聚吡咯、聚苯胺、聚（3,4 - 乙撑二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）、碳纳米管、石墨烯等二维（2D）纳米材料。

PEDOT：PSS 具有高导电性和水分散性，在生物电子领域备受青睐。用其制备的各向异性、高强度、高韧性和高导电性水凝胶可作为肌腱替代品，恢复 SD 大鼠的运动功能。PEDOT：PSS 纳米颗粒涂层可减少肩袖修复后肌肉纤维间的间隙面积，促进肌肉再生，还能抑制脂肪积累和纤维化，改善肌腱形态和拉伸性能。此外，基于单宁酸、PEDOT：PSS 和聚乙烯醇制备的可粘结、可拉伸、生物相容性好的 TPP 电极及金属 - 聚合物电极阵列贴片（MEAP），可实时监测肌腱位移，控制肌腱拉伸，降低肌肉或肌腱损伤风险。

碳基导电材料不仅可作为承重材料，还能吸附蛋白质，通过外源性 ES 刺激组织生长。碳纳米材料具有良好的导电性，可用于肌肉和神经组织的电生理信号传输，控制细胞命运。设计不同结构的碳基材料可模拟肌腱纤维的空间结构和表面形态，与 ECM 刚度协同作用，增强肌腱再生效果。例如，用 Nephila pilipes 蜘蛛牵引丝、单壁碳纳米管和 PEDOT：PSS 制备的电肌腱可反复弯曲和拉伸，且导电性不变，安装在人形机器人手指上可实现精准抓握。用分层螺旋碳纳米管纤维替代骨整合前交叉韧带，可使兔和羊模型在植入 13 周后正常运动。碳纤维介导的静电纺丝支架可促进兔跟腱缺损修复，上调纤连蛋白和腱调蛋白的表达，调节 TGF - β 信号通路，优化 ECM 组装。

石墨烯等二维纳米材料由于具有优异的机械性能、大比表面积、良好的生物相容性等特点，在肌腱再生领域应用广泛。氧化石墨烯和富血小板血浆制备的凝胶可促进骨髓间充质干细胞增殖和分化，改善肌腱 - 骨愈合。除石墨烯外，过渡金属二硫属化物（TMDs）、锑烯（AM）、黑磷（BP）、金属 - 有机框架（MOFs）、二维金属碳化物和氮化物（MXenes）等二维纳米材料也逐渐应用于生物医学领域，它们具有高比表面积和大量表面锚定点，能增强与生物成分的相互作用，促进肌腱再生，但目前在肌腱修复中的应用尚处于发展阶段。

摩擦电刺激在肌腱修复中的探索

摩擦电纳米发电机（TENG）是一种利用静电感应和摩擦起电耦合效应将周围环境机械能转化为电能的装置。当两种不同的摩擦电材料接触时，表面会形成化学键，电荷转移产生摩擦电荷，在生物力学运动作用下，摩擦层在接触和分离过程中会在两个电极间产生交流电，可用于生物医学应用。

TENG 可作为高灵敏度传感器或电模拟器，实现自供电生物医学技术，用于人体诊断和治疗。它具有灵活性、轻质、高电输出和对机械刺激响应快等优点，目前已广泛应用于可穿戴设备。许多材料被用于制备高性能 TENG，如聚四氟乙烯（PTFE）、氟化乙烯丙烯（FEP）、聚偏氟乙烯（PVDF）等作为电子受体部分，尼龙、丝绸、羊毛等含供电子基团的聚合物材料作为电子供体部分。

TENG 可应用于活生物体，收集能量并输出电刺激作用于细胞，调节细胞功能和命运，成为一种新的医疗保健和疾病干预方法。研究发现，旋转盘状 TENG（RD - TENG）可促进成纤维细胞增殖和迁移，摩擦电刺激还能恢复衰老骨髓间充质干细胞的活力。此外，二极管放大的 TENG 可直接刺激肌肉，压电驱动的 TENG 和电活性水凝胶复合材料诱导的 ES 可加速糖尿病足溃疡的修复。基于 PVDF - TrFE 和尼龙 6（PA6）制备的自供电可穿戴 ES 贴片可用于治疗肌腱病，能显著改善大鼠的运动功能，促进胶原蛋白再生，减少组织炎症浸润程度和恢复时间。

然而，TENG 在应用中也面临一些问题，如输出稳定性受人体温度、湿度等外部环境条件的影响，可能受到体液中湿度的腐蚀、内部压缩或氧化。因此，选择 TENG 材料时需考虑生物相容性、机械性能、表面电位特性、灵活性、化学稳定性等因素。

讨论与展望

肌腱损伤修复是一个具有挑战性的课题，目前临床常用的人工非可降解材料效果不理想，越来越多的研究致力于开发可降解的仿生肌腱支架。生物电在肌腱修复中起着重要作用，电活性生物材料可帮助恢复肌腱的天然电微环境，加速伤口愈合。

压电材料在肌腱修复中具有巨大潜力，其不对称晶体结构使其在机械变形时产生电荷，模拟天然内环境，调节局部免疫，促进细胞增殖和分化，增强 ECM 合成。在设计支架时，需充分考虑其电特性和机械性能，开发灵活可扩展的结构，如具有波浪结构和分层屈曲结构的支架，以及采用渗流网络设计的导电材料，以适应机械应变。

尽管压电材料在生物医学领域应用前景广阔，但仍面临一些问题，如材料的脆性、低效率、毒性和环境影响等。因此，开发绿色可降解的压电材料，如有机可降解氨基酸、肽、蛋白质、多糖和合成聚合物等，成为研究热点。这些材料在生物良性或生理条件下可分解为基本分子或被重新吸收，避免对肌腱修复产生不利影响。例如，壳聚糖是一种线性多糖，具有生物相容性、可降解性、无毒且易成膜的特点，在医学领域应用广泛；PLLA 是一种透明、柔性的植物源压电聚合物材料，可通过提高结晶度和分子取向改善其压电常数，在未来生物传感器领域具有潜在应用价值；PVDF 是一种半结晶压电聚合物，具有多种晶体相，其中 β 相具有高极化率和高电压敏感性，基于 PVDF 的肌腱启发式压电传感器具有柔性、轻质和生物相容性好等优点。

智能修复支架具有机械和电响应等功能，可通过对生理环境的动态响应优化愈合过程。理想的传感器应具有智能反馈和实时监测能力，压电材料的机电特性使其可将生物运动产生的应变转化为电能，适用于制造物理传感器和生物传感器。例如，基于压电材料制备的生物传感支架可实时监测肌腱修复状态，根据实际情况进行调整，加速肌腱修复过程，节省时间和成本，对患者肌腱损伤修复具有重要意义。

直接 ES 为调节生物过程提供了精确的非药物手段，但传统 ES 设备存在便携性和舒适性差等问题，其临床应用潜力尚未充分挖掘。开发自供电、柔性的 ES 设备，实现集成治疗支架或设备，对于肌腱修复具有重要意义。在材料设计和制造过程中，需考虑高灵敏度、自愈合能力和良好的生物相容性。同时，由于产生 ES 的材料在动态环境中具有多样性，如压电 PVDF 在摩擦时也可产生摩擦电，因此，探索这些材料的交叉应用，以最大化其功能，可能为肌腱修复的发展带来新的机遇。

然而，这些材料在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，材料表面形态和结构会影响细胞行为和组织修复时间，需要开发能模拟肌腱定向结构、传递生理信号、恢复天然电微环境的智能生物材料；材料的降解会影响 ES 的有效性，需确定支架降解速率与组织修复动力学之间的平衡，根据组织修复时间选择合适降解速率的材料，并在体外模拟体内降解过程，验证降解材料在不同时间点是否仍能产生 ES；部分材料植入后可能引发过度免疫反应，影响修复过程，因此支架需具有良好的生物相容性和无毒降解特性；计算机建模可优化支架结构，实现个性化定制，同时监测支架与周围组织的连接以及受损组织电通路的恢复情况，赋予支架监测肌腱疾病关键通路恢复的功能，实时调整康复计划；此外，还需考虑支架在体内的舒适性，开发无异物感且能长期发挥功能的支架，这不仅对肌腱组织修复至关重要，对其他组织再生也具有重要意义。随着可穿戴和植入式电子设备需求的增加，开发与之匹配的能量转换和存储设备成为热门研究方向，肌腱作为能量转换的重要连接部分，开发可替代缺失肌腱并实现能量转移的可穿戴和植入式电子设备具有重要意义。