一、研究背景

肌腱是连接肌肉和骨骼的结缔组织，是肌肉骨骼系统的重要组成部分，在运动过程中储存和转移能量。肌腱由沿其纵轴排列的胶原纤维束组成。肌腱中胶原纤维的调节是复杂的：涉及到原胶原、胶原原纤维、胶原纤维和筋束的形成。最后，肌腱基质由肌束组成。胶原纤维直径为1 ~ 20 μm。然而，由于意外事故或过度运动导致肌腱部分或完全断裂，可引起胶原同型表达和三级结构的改变，破坏胶原排列，导致功能丧失，活动能力降低。

值得注意的是，肌腱具有压电特性，可以将机械能转化为电能，而压电行为与胶原蛋白有关。内源电场是生物电信号传导的基础，是损伤组织再生的优先信号。研究表明，生理运动过程中产生的生物电信号可以激活肌腱特异性再生途径。因此，通过控制肌腱内的生物电来加速肌腱细胞的迁移，从而促进肌腱的修复是可行的。众所周知，电刺激（ES）促进细胞定向迁移和排列，影响细胞增殖和分化，影响细胞膜的收缩性、通透性和能量传递，并调节pH变化。因此，ES可以引导许多组织的发育和再生。例如，Carla等人证实，micro-ES加速了动物非关节部位的软骨修复。

理想情况下，用于肌腱修复和再生的工程支架需要足够的强度来承受大的循环载荷，抵抗长期的蠕变变形，并允许营养物质和废物的有效转移。根据最初的研究，碳纤维（CF）表现出最小的异物感，并且可以被新的胶原组织浸润。Wang等人开发了层状螺旋碳纳米管纤维作为韧带替代品，具有生物相容性和高拉伸强度。碳纳米管纤维与天然骨骼结合良好，足够坚固，在植入兔子和绵羊13周后，动物可以正常奔跑和跳跃。Howard等人使用CF修复人类跟腱断裂，结果显示大多数患者跟腱愈合良好。说明CF具有导电性、生物相容性和良好的力学性能，作为肌腱的替代支架具有潜在价值。然而，每束CF是由多个单丝组成的，这些单丝非常松散。静电纺丝是一种可用于制造各种形式纳米纤维的技术。有趣的是，通过静电纺丝，CF可以被包裹并作为稳定的独立支架使用。聚乳酸（PLA）是一种生物相容性和可生物降解的医用聚合物，经过适当的处理后，它表现出压电特性，可以制造更安全的植入物，例如通过高速旋转滚轮生产的用于软骨再生的电纺丝聚乳酸膜。丝素蛋白（Silk fibrin， SF）具有良好的生物相容性，可与多种导电材料混合制备基于丝素蛋白的导电支架，用于组织修复。

在这项研究中，通过静电纺丝设备获得了一束芯纺纱，其中外壳层为聚乳酸/聚苯乙烯纳米纤维膜，芯层为纤维素酯。然后，将多根包芯纱组合起来并再次纺丝，就得到了可修复缺损肌腱的三维 CF 介导电纺丝支架。直径为 5.07 ± 1.20 μm 的定向 CF 单丝被用来模拟肌腱中的胶原纤维。纳米纤维膜模拟了肌腱中包裹胶原纤维的结缔组织。因此，我们希望导电 CF 能替代肌腱缺损部位缺失的胶原纤维，并在机体内源性电场的作用下产生电信号，从而加速细胞迁移、增殖、分化和表达，最终促进肌腱修复。本研究选择不导电的聚对苯二甲酸乙二醇酯纱线和 CF 作为对照，以验证 CF 介导的电纺支架是否能促进肌腱修复。

二、摘要

肌腱部分或完全断裂可破坏胶原蛋白结构，导致电信号通路中断。重建肌腱的原始电信号通路，促进缺损肌腱的再生和功能恢复是一个巨大的挑战。在这项研究中，碳纤维介导的静电纺丝支架是由纳米纤维膜包裹导电、高强度、松散的单束碳纤维制成的。由于纳米纤维膜的存在，支架的最大拉伸力是碳纤维的2.4倍，同时为细胞适应电刺激加速增殖和表达提供了良好的时间和空间条件。本研究使用的碳纤维单丝直径为5.07±1.20 μm，与肌腱胶原的直径相匹配，可以快速建立肌腱组织与支架之间的连接，更好地促进电信号通路的恢复。在兔跟腱缺损修复模型中，与不导电的聚对苯二甲酸乙二醇酯支架相比，碳纤维介导的静电纺丝支架几乎充满了胶原纤维。转录组测序结果显示，纤维调节素和腱调节素表达上调，其相关蛋白聚糖和糖胺聚糖结合蛋白通路增强，可调节TGF-β信号通路，优化细胞外基质组装，从而促进肌腱修复。因此，本研究的支架弥补了导电性支架修复肌腱缺损的不足，揭示了导电性对肌腱修复信号通路的潜在影响，为今后的临床研究提供了新的途径。

三、结论

本研究设计了碳纤维介导的电纺支架。该 CPS 中增强核心 CF 的直径与胶原纤维的直径相似，可促进体内缺损肌腱消失的内源性电场的快速恢复。CPS 表面的纳米纤维膜可帮助腱细胞适应 ES，加速增殖和表达。兔跟腱缺损试验表明，CPS更有利于胶原纤维的生成。通过RNA-seq研究发现，肌腱修复与TGF-β信号通路有关，CPS能上调FMOD和TNMD的表达，共同促进肌腱修复。

图1.CPS 的制备和应用示意图。首先，通过电纺获得包芯纱，其中增强芯为 CF，纳米纤维膜为 PLA/SF。其次，将三束包芯纺丝合并并再次纺丝，以获得更厚的以 CF 为介导的支架。然后，将腱鞘细胞播种到 CPS 上，并在体外给予 ES，ES 可影响腱鞘细胞的迁移、增殖和排列。最后，将 CPS 植入兔子的跟腱缺损区，在机体内源性电场的作用下，CPS 可促进肌腱修复。

图2.1 周、2 周、4 周、8 周和 12 周后 CPS 的降解情况。扫描电子显微镜（a），刻度线 = 5 微米，刻度线 = 20 微米。质量损失率（b）。冷冻干燥后的宏观图（c）和机械拉伸后的宏观图（d），刻度线 = 1 厘米。应力-应变曲线（e）、UTS（f）、失效应变（g）、杨氏模量（h）和最大力（i）。黄绿虚线：纳米纤维断裂放大图。红色箭头：其他纳米纤维断裂。蓝色箭头：脱落的纳米纤维膜。

图3.修复跟腱缺损。0、4 和 12 周后 PET 和 CPS 支架植入缺损区域的宏观图（a），比例尺 = 5 毫米，组织学评分（b），胶原扩散区域（c），HE 染色（d）和 MT 染色（e），比例尺 = 100 μm，比例尺 = 200 μm。橙色箭头：肌纤维。绿色箭头：胶原纤维。* p < 0.05，** p < 0.01，*** p < 0.001。