3D 打印導電多尺度神經(jīng)導管“一石三鳥”加速周圍神經(jīng)再生

來源：EngineeringForLife

外周神經(jīng)損傷是神經(jīng)系統(tǒng)最常見的創(chuàng)傷性損傷之一，自體神經(jīng)移植是治療的金標準，但存在供體有限、供體功能喪失、神經(jīng)瘤形成、神經(jīng)扭曲或脫位、神經(jīng)直徑不匹配等問題，神經(jīng)導管（NGC）作為潛在治療方法正日益受到關注�，F(xiàn)有生物制造技術難以構建出具有仿生理化微環(huán)境的神經(jīng)導管，這限制了PNI實際的治療效果。清華大學的熊卓、張磊和孫偉教授的研究團隊，合作開發(fā)了一種導電多尺度纖維神經(jīng)導管（MF-NGC），為周圍神經(jīng)損傷的治療提供了新思路（圖1）。相關成果2023年2月18日以“3D Printed Conductive Multiscale Nerve Guidance Conduit with Hierarchical Fibers for Peripheral Nerve Regeneration”為題發(fā)表在《Advanced Science》上。

圖1 采用多層纖維治療PNI的多功能導電MF-NGC示意圖

理想情況下，用于周圍神經(jīng)再生的NGCs應具有以下關鍵特征： i)允許生長因子擴散，通過擴散梯度向遠段再生，同時阻止纖維瘢痕組織的浸潤；ii)提供所需的地形線索，引導軸突生長，同時促進新生血管和免疫微環(huán)境重塑；iii)具有合適的力學性能和穩(wěn)定性，保護再生SCs和軸突在神經(jīng)再生過程中免受進一步損傷。

導電的MF-NGCs具有多功能性以增強周圍神經(jīng)再生： i)在納米尺度上，PCL/膠原納米纖維（直徑：≈500nm）制備的MF-NGCs的外層，阻礙細胞滲透的同時有利于營養(yǎng)擴散和廢物清除，；ii)在微觀尺度上，MEW打印取向PCL微纖維（直徑：≈10μm），為神經(jīng)元生長提供各向異性指導；iii)在介觀尺度上，由MEW打印還原的氧化石墨烯（rGO）/PCL微纖維（直徑：≈125μm），提供所需的機械穩(wěn)定性和導電性能，以支持神經(jīng)生長。掃描電子顯微鏡（SEM）顯微圖（圖2d）顯示，MEW可以產(chǎn)生高重復性的微纖維。

圖2 MF-NGCs的制備方法和形貌表征

以往的NGCs在長期修復中經(jīng)常遇到機械故障，因為植入的導管會經(jīng)歷反復的機械變形。因此，NGCs的機械強度和穩(wěn)定性需要為神經(jīng)生長提供穩(wěn)定的空間。導管的壓縮特性對于在體內(nèi)長期保持形狀是必不可少的。通過循環(huán)壓縮試驗評估了MH-NGCs和MF-NGCs管道的機械性。MH-NGCs在壓縮過程中表現(xiàn)出良好的壓縮恢復能力和結(jié)構完整性（最大應變率為60%）。即使經(jīng)過100次壓縮循環(huán)后，MH-NGCs的值仍約為其初始壓縮應力的96%。在拉伸試驗中，整個試驗中MF-NGCs的張力明顯高于MH-NGCs。此外，MF-NGCs滿足了植入物力學穩(wěn)定性的要求，有利于保護再生的雪旺細胞和軸突在神經(jīng)再生過程中免受進一步的損傷。

圖3 MF-NGC支架的力學和電學性能評價

NGC支架的生物相容性對神經(jīng)組織的再生非常重要。雪旺細胞（SCs）通過分泌神經(jīng)營養(yǎng)分子促進周圍神經(jīng)的神經(jīng)突起生長。RSC96細胞作為最常用的SCs之一，被植入平坦的多尺度纖維支架中。在第1天和第7天的活/死染色證實了多尺度纖維支架的細胞相容性良好，RSC96細胞隨機分布在多尺度纖維支架表面，細胞活力較高（大于95%）。掃描電鏡圖像顯示清晰的SCs的細胞形態(tài)和定向微纖維，表明定向微纖維引導了SCs的生長。通過將PC12細胞植入扁平的多尺度纖維支架中，研究了神經(jīng)元的生長情況。支架上PC12細胞的活力和增殖能力與SCs相似。研究人員對此進行了合理地推斷，充滿排列的導電微纖維的NF-NGCs是體內(nèi)神經(jīng)再生的一個極好的選擇。在體內(nèi)神經(jīng)再生過程中，被導管包裹的定向微纖維可以引導SC的生長形成髓鞘，從而進一步引導軸突的延伸。

圖4 MF-NGC支架的體外生物學性能

研究人員將制備的長度為15mm的MH-NGC和MF-NGC，分別植入到SD大鼠坐骨神經(jīng)缺損部位，采用自體移植物作為陽性對照，分析MF-NGC支架的動物在體神經(jīng)修復效果。在自體移植物組和MF-NGC組中，大多數(shù)再生軸突被厚、透明、致密的髓鞘包圍。MH-NGC組髓鞘薄松散，有空泡樣缺陷，是脫髓鞘的典型特征。MF-NGC組的髓鞘厚度（522 ± 85 nm）的髓鞘厚度顯著高于MH-NGC組（409 ± 62 nm），且在4周時與自體移植物組（544 ± 75 nm）無顯著差異。同時，腓腸肌恢復和腿部功能恢復等實驗結(jié)果均表明，MF-NGC能夠顯著促進神經(jīng)再生，與自體移植的效果相當。

圖5 MF-NGC支架的動物在體神經(jīng)修復效果

該研究使用復合增材制造技術制備的一種導電多尺度纖維神經(jīng)導管，表現(xiàn)出良好的纖維取向性、滲透性、導電性和機械穩(wěn)定性，通過大鼠坐骨神經(jīng)缺損模型發(fā)現(xiàn)其能夠快速募集血管細胞和調(diào)節(jié)巨噬細胞向M2表型轉(zhuǎn)變，顯著促進外周神經(jīng)再生、髓鞘形成和腓腸肌等功能恢復，為周圍神經(jīng)損傷的治療開辟了新的途徑。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/advs.202205744