研究背景：前交叉韧带（ACL）是维持膝关节稳定的重要组成部分，且包含大量的本体感受器，将关节位置、运动、形变等感觉信息传递至高级中枢。ACL损伤是最常发生的运动损伤之一，损伤会引起肌力减弱、关节不稳、本体感觉障碍、继发骨性关节炎，还会引起脑功能重塑。目前，ACL重建术是最常见的治疗方式，其主要目的在于恢复膝关节的稳定性和防止二次损伤。而在前交叉韧带重建过程中，对本体感觉障碍的重建缺乏考虑。对此，本研究使用压电纳米材料修复前交叉韧带，模拟本体感觉信号上传，并通过大脑活动水平及功能连接变化阐述其对本体感觉神经环路的影响。

研究概述：首先，本研究通过静电纺丝技术制了备一种由三层结构组成的压电纳米材料，并进行了材料的压电试验和疲劳试验。然后，将20只新西兰大白兔随机分为4组（每组5只），使用不同的缝合线（普通手术缝合线和纳米发电丝线）修复前交叉韧带。术后，将膝关节于屈曲30°位石膏固定4周。4周后，进行静息态和任务态的脑功能核磁共振扫描。最后，截取包括连接前交叉韧带两端的骨-韧带复合体进行生物力学测试。压电纳米材料的压电性能和生物力学性能：该材料在不同拉力下产生的电压在0.05~0.18V之间，并且在1.5N的拉力下，5000次循环中，电压保持稳定。该材料的拉伸模量为1.50GPa，极限应力为36.72±1.41MPa。使用压电纳米材料修复ACL后，骨-韧带复合体的最大力为117.68N，拉伸强度为23.54Gpa，最大力点的变形为11.38mm。与健康对照组相比，其极限应力和拉伸模量无显著差异，并表现出优于普通缝合线的趋势。使用压电纳米材料修复ACL可以满足基本的生物力学要求。

ACL损伤及修复后大脑活动水平发生了显著改变：在静息态脑功能核磁扫描中，与健康对照组相比，ACL损伤后额叶、颞叶、小脑蚓部等区域低频振幅（ALFF）值显著降低，局部一致性（ReHo）呈现增强的趋势；使用压电纳米丝线修复组枕叶、小脑及其蚓部ALFF显著增强。与损伤组相比，普通丝线修复组颞叶ALFF值显著增强，额叶、小脑及小脑蚓部ReHo值呈现增强的趋势。与普通丝线修复组相比，压电纳米材料修复组枕叶、小脑及其蚓部ALFF值显著增强，海马及丘脑的ReHo值显著增强。在任务态脑功能核磁扫描中，与健康组相比，ACL损伤后额叶、顶叶、海马等区域呈现激活增强的趋势，压电纳米材料修复组梨状皮层、海马、扣带皮层、尾状核激活显著增强。与ACL损伤组相比，压电纳米材料修复组枕叶、丘脑激活呈现增强的趋势。

压电纳米材料增强了皮层与皮层下核团之间的功能连接：本研究选取了34个皮层、皮层下核团、小脑等脑区作为感兴趣区进行了功能连接的分析。与健康对照组相比，压电纳米材料修复组小脑与海马、额叶与丘脑间的功能连接显著增强。与ACL损伤组相比，压电纳米材料修复组屏状体与额叶、屏状体与丘脑间的功能连接显著增强。与普通丝线修复组相比，压电纳米材料修复组额叶与屏状体、内嗅皮层与屏状体、丘脑与小脑、梨状皮层与颞叶间的功能连接显著增强。

研究意义：本研究表明该压电纳米材料在保证了基本的力学性能的基础上，在修复前交叉韧带损伤后本体感觉神经环路中有积极作用。尤其是通过增强丘脑的激活以及“皮层—基底节—丘脑”通路的功能连接，使个体更好地应对任务活动。这些发现为前交叉韧带损伤及修复后恢复本体感觉障碍提供了理论基础，也为临床提供了新的治疗方式。

Su R, He YP, Qi Y, Fang L, Zhao X, Meng ZY, Xiang XH, Huang WR, Peng SQ, Wang GT, Yu WW, Shi YN, Hou CY, Tao R, Shi DL, Niu WX. Brain activation after repairing the anterior cruciate ligament injury in rabbits with piezoelectric nanomaterial: A fMRI study. Nano Energy, 2025, 138, 110845.

文章来源：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110845