大体积肌肉缺失（Volumetric Muscle Loss, VML）是临床中极具挑战性的严重损伤，多由严重创伤、车祸、肿瘤切除或战伤引发，当肌肉缺失体积超过总质量20%时，会超出人体自身再生能力，不仅导致肌肉结构严重缺失，更会伴随运动神经末梢断裂、神经传导通路中断，最终引发肢体永久性残疾。目前临床主流治疗手段为自体组织瓣移植，但存在供体组织不足、术后并发症风险高、功能恢复效果差等问题，全球每年因VML导致的医疗负担超千亿美元，亟需能同步实现肌肉再生与神经重建的新型再生医学策略。
2026年2月5日，北京大学第三医院安阳团队在《Journal of Nanobiotechnology》（IF：15.0）发表研究，成功制备Ti3C2TxMXene/脂肪脱细胞外基质（adECM）复合导电水凝胶，以仿生电活性微环境为核心，调控钙离子内流，同步促进骨骼肌再生、神经轴突生长及神经肌肉接头（NMJ）重建，为VML修复提供新的方案。
研究的核心创新在于匹配“生物相容性”与“电活性”两大需求，破解传统导电材料的固有缺陷。传统导电材料（石墨烯、碳纳米管等）虽导电性优异，但普遍存在亲水性差、不可降解、潜在细胞毒性等问题，难以用于肌肉神经这类电活性组织修复；而天然水凝胶虽生物相容性好，却缺乏模拟生理电信号的能力，无法为神经再生提供关键电刺激。
为此，团队创新性选用Ti3C2TxMXene二维纳米材料与脂肪脱细胞外基质（adECM）复合：MXene具有超高导电性、优异亲水性、良好生物相容性，且表面富含-OH、-O官能团，能与基质紧密结合；adECM源自大鼠腹股沟脂肪组织，经脱细胞、脱脂、冻干、酶解等工艺制备，完全去除细胞与脂质残留，保留胶原蛋白、蛋白多糖、透明质酸及生长因子，模拟天然细胞外基质微环境，且来源丰富、低免疫原性，优于肌肉来源脱细胞基质，更适配临床大规模应用。
图1 MXene/adECM水凝胶整体设计与制备流程示意图：从脂肪组织制备adECM、合成Ti3C2TxMXene纳米片，复合形成仿生导电水凝胶
通过梯度浓度筛选（100、300、500 μg/mL MXene），300 μg/mL（AM300）为最佳浓度。表征结果显示，MXene/adECM水凝胶呈均匀三维多孔结构，适配细胞黏附、迁移与营养交换；导电性达45.6 mS/m，处于神经组织电导率范围（30–600 mS/m），能模拟生理电微环境；15天降解率超80%，降解节奏与肌肉再生时序高度契合——早期维持结构支撑，中期逐步降解为新生组织让路，且全程无细胞毒性，生物安全性优异。
图2 水凝胶理化性能表征：三维多孔结构、孔径分布、力学性能、导电性与降解曲线
体外实验验证了水凝胶促再生能力。针对骨骼肌再生，MXene/adECM水凝胶显著促进大鼠L6成肌细胞增殖；同时诱导成肌分化，上调肌特异性蛋白Desmin、MyoD1、Myf5表达，促进肌管融合成熟，肌球蛋白重链（MHC）阳性面积显著增加，肌管排列更规整。
图3 体外细胞实验：L6成肌细胞增殖、分化
针对神经再生，水凝胶诱导PC12神经细胞分化，最优组神经突长度较adECM组增加47.29 μm，分支数量增多，形成密集神经网络，且神经突呈定向生长趋势，为神经肌肉连接奠定基础。
研究构建了L6肌管与PC12神经元共培养体系，模拟体内神经肌肉微环境。结果显示，MXene/adECM水凝胶引导神经突沿肌管定向延伸，神经元与肌管紧密贴合，初步形成神经肌肉接头（NMJ）结构，证明水凝胶可有效促进神经肌肉初步连接，为功能重建提供关键支撑。
图4 体外细胞实验：PC12神经细胞轴突生长；神经肌肉共培养体系中肌管与神经元共定位
为揭示深层分子机制，团队开展转录组测序与功能验证。结果显示，MXene/adECM水凝胶显著上调钙信号、胆碱能突触、骨骼肌收缩相关通路，核心差异基因为电压门控钙通道（VGCC）：突触前膜Cacna1a（CaV2.1）、突触后膜Cacna1s（CaV1.1）表达分别上调2.1倍、3.1。进一步钙成像实验证实，MXene/adECM组钙信号峰值为adECM组的2.4倍，Ca2+内流显著增强。上调的钙通道激活钙信号通路，促进乙酰胆碱受体（Chrna1、Chrnb1）聚集，推动突触前膜囊泡释放乙酰胆碱，最终加速NMJ组装成熟，打通神经肌肉信号传导通路。
图5 转录组分析与钙信号调控机制
体内实验采用大鼠胫骨前肌VML模型（缺损率~30%），分为未损伤、未处理、纯adECM、MXene/adECM四组，植入30天后全面评估修复效果。结果显示，MXene/adECM组新生肌肉重量达101.9 mg，显著高于adECM组（72.58 mg）；肌纤维横截面积达2945 μm²，是adECM组的3.4倍，肌纤维排列规整、接近天然肌肉；Masson染色显示胶原沉积显著减少，有效抑制纤维化瘢痕形成；CD31染色证实血管密度提升，为新生肌肉提供充足血供；Tuj1染色显示神经纤维大量浸润，NMJ突触前、后膜标志物共定位率从27.85%提升至42.21%，神经支配效率大幅提升。
图6 大鼠VML模型体内修复效果：肌肉再生、纤维化抑制、血管神经浸润
功能检测是修复效果的重要指标。步态分析显示，MXene/adECM组大鼠爪印面积、摆动/站立比、移动速度显著改善，肢体负重能力与协调性恢复良好；坐骨神经刺激实验显示，实验组肌肉等长强直力达0.082 N，接近未损伤组（0.096 N），显著优于adECM组（0.057 N），证明再生肌肉已具备神经调控下的收缩功能。
生物安全性评估显示，30天内大鼠主要器官无病理损伤，Ti元素主要滞留筋膜组织，无全身毒性，长期生物安全性良好。
图7 体内功能恢复：步态分析与肌肉收缩力检测
综上，这项研究突破传统再生材料局限，将导电MXene与仿生adECM结合，打造出能同步实现骨骼肌再生、神经轴突生长与NMJ重建的复合导电水凝胶。其机制是通过仿生电活性微环境调控Ca2+内流，激活钙信号通路，调控神经肌肉再生与连接。该研究为VML修复提供了“结构支撑+电信号调控+微环境模拟”的新策略。
文章来源：
https://link.springer.com/article/10.1186/s12951-026-04077-y
通讯作者：
安阳，北京大学第三医院整形外科行政副主任，科研主任、博士生导师，博士后合作导师。主要研究方向：鼻面畸形缺损修复、唇裂继发唇鼻畸形修复、肌肉再生、软骨再生、干细胞与类器官。哈佛大学医学院整形外科博士后。中华医学会整形外科分会鼻整形学组副组长、基础研究学组副组长；中国中西医结合学会美容医学专委会秘书长、中国中西医结合学会鼻整形分会主任委员，主持国家自然科学基金面上项目、北京市自然科学基金面上项目等12 项。以第一或通讯作者在Military Medical Research、Bioactive materials、Biomaterials、Journal of Controlled Release、Materials&Design等杂志发表SCI 论文100余篇，2篇IF>20 ，8篇IF>10；获国际整形美容外科会议（ISAPS）“鼻整形最佳奥运论文“（OLYMPIC AWARD）；以第一发明人申请专利25项，转化13 项。获2021年中国整形美容协会科学技术奖三等奖（第一完成人），2023年中国中西医结合学会科学技术奖三等奖（第一完成人），2025年北京医学科技奖二等奖（第一完成人），研究成果获评中华医学会2023年度中国整形外科领域十大进展。
共同第一作者：
金梦颖，北京大学第三医院整形外科助理研究员，北京大学第三医院启航博士后。主要从事脱细胞基质生物材料研发、组织工程与再生医学，主持北京市自然科学基金青年项目等课题2项。近年来以第一/共一作者在Bioactive Materials、Journal of Nanobiotechnology、Stem Cell Research & Therapy等杂志发表SCI学术论文10篇，中文核心期刊论文2篇；获2024年北京医学科技奖二等奖（5/13），2025年中国整形美容协会科学技术二等奖（4/10），2025中国中西医结合学会医学美容专业委员会学术会议优秀青年论文大赛基础组一等奖。
张雅慧，北京大学第三医院成形外科硕士研究生
梁伟，北京大学第三医院整形外科助理研究员，北京大学博雅博士后，师从安阳教授。主要从事脱细胞基质结合脂肪干细胞构建的生物材料的开发和功能研究。近年来以第一作者在Bioactive materials、Biomaterials、Chemical Engineering Journal、Materials Today Bio 等国际学术期刊上发表文章 10余篇；主持国家自然科学基金青年项目、北京市自然科学基金青年项目、博士后面上项目等基金5项。
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