清华大学团队：3D 打印导电多尺度神经导管,“一石三鸟”加速周围神经再生

| 3DScienceValley · 2023/02/25

以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL

外周神经损伤是神经系统最常见的创伤性损伤之一，自体神经移植是治疗的金标准，但存在供体有限、供体功能丧失、神经瘤形成、神经扭曲或脱位、神经直径不匹配等问题，神经导管（NGC）作为潜在治疗方法正日益受到关注。

现有生物制造技术难以构建出具有仿生理化微环境的神经导管，这限制了PNI实际的治疗效果。清华大学的熊卓、张磊和孙伟教授的研究团队，合作开发了一种导电多尺度纤维神经导管（MF-NGC），为周围神经损伤的治疗提供了新思路（图1）。

图1 采用多层纤维治疗PNI的多功能导电MF-NGC示意图

近日，研究团队的相关成果以“3D Printed Conductive Multiscale Nerve Guidance Conduit with Hierarchical Fibers for Peripheral Nerve Regeneration”为题发表在《Advanced Science》上。

理想情况下，用于周围神经再生的NGCs应具有以下关键特征：i)允许生长因子扩散，通过扩散梯度向远段再生，同时阻止纤维瘢痕组织的浸润；ii)提供所需的地形线索，引导轴突生长，同时促进新生血管和免疫微环境重塑；iii)具有合适的力学性能和稳定性，保护再生SCs和轴突在神经再生过程中免受进一步损伤。

导电的MF-NGCs具有多功能性以增强周围神经再生：i)在纳米尺度上，PCL/胶原纳米纤维（直径：≈500nm）制备的MF-NGCs的外层，阻碍细胞渗透的同时有利于营养扩散和废物清除，；ii)在微观尺度上，MEW打印取向PCL微纤维（直径：≈10μm），为神经元生长提供各向异性指导；iii)在介观尺度上，由MEW打印还原的氧化石墨烯（rGO）/PCL微纤维（直径：≈125μm），提供所需的机械稳定性和导电性能，以支持神经生长。扫描电子显微镜（SEM）显微图（图2d）显示，MEW可以产生高重复性的微纤维。

图2 MF-NGCs的制备方法和形貌表征

以往的NGCs在长期修复中经常遇到机械故障，因为植入的导管会经历反复的机械变形。因此，NGCs的机械强度和稳定性需要为神经生长提供稳定的空间。导管的压缩特性对于在体内长期保持形状是必不可少的。通过循环压缩试验评估了MH-NGCs和MF-NGCs管道的机械性。MH-NGCs在压缩过程中表现出良好的压缩恢复能力和结构完整性（最大应变率为60%）。即使经过100次压缩循环后，MH-NGCs的值仍约为其初始压缩应力的96%。在拉伸试验中，整个试验中MF-NGCs的张力明显高于MH-NGCs。此外，MF-NGCs满足了植入物力学稳定性的要求，有利于保护再生的雪旺细胞和轴突在神经再生过程中免受进一步的损伤。

图3 MF-NGC支架的力学和电学性能评价

NGC支架的生物相容性对神经组织的再生非常重要。雪旺细胞（SCs）通过分泌神经营养分子促进周围神经的神经突起生长。RSC96细胞作为最常用的SCs之一，被植入平坦的多尺度纤维支架中。在第1天和第7天的活/死染色证实了多尺度纤维支架的细胞相容性良好，RSC96细胞随机分布在多尺度纤维支架表面，细胞活力较高（大于95%）。扫描电镜图像显示清晰的SCs的细胞形态和定向微纤维，表明定向微纤维引导了SCs的生长。通过将PC12细胞植入扁平的多尺度纤维支架中，研究了神经元的生长情况。支架上PC12细胞的活力和增殖能力与SCs相似。研究人员对此进行了合理地推断，充满排列的导电微纤维的NF-NGCs是体内神经再生的一个极好的选择。在体内神经再生过程中，被导管包裹的定向微纤维可以引导SC的生长形成髓鞘，从而进一步引导轴突的延伸。

图4 MF-NGC支架的体外生物学性能

研究人员将制备的长度为15mm的MH-NGC和MF-NGC，分别植入到SD大鼠坐骨神经缺损部位，采用自体移植物作为阳性对照，分析MF-NGC支架的动物在体神经修复效果。在自体移植物组和MF-NGC组中，大多数再生轴突被厚、透明、致密的髓鞘包围。MH-NGC组髓鞘薄松散，有空泡样缺陷，是脱髓鞘的典型特征。MF-NGC组的髓鞘厚度（522 ± 85 nm）的髓鞘厚度显著高于MH-NGC组（409 ± 62 nm），且在4周时与自体移植物组（544 ± 75 nm）无显著差异。同时，腓肠肌恢复和腿部功能恢复等实验结果均表明，MF-NGC能够显著促进神经再生，与自体移植的效果相当。

图5 MF-NGC支架的动物在体神经修复效果