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

來(lái)源：EngineeringForLife

外周神經(jīng)損傷是神經(jīng)系統(tǒng)最常見(jiàn)的創(chuàng)傷性損傷之一，自體神經(jīng)移植是治療的金標(biāo)準(zhǔn)，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(wèn)題，神經(jīng)導(dǎo)管（NGC）作為潛在治療方法正日益受到關(guān)注�，F(xiàn)有生物制造技術(shù)難以構(gòu)建出具有仿生理化微環(huán)境的神經(jīng)導(dǎo)管，這限制了PNI實(shí)際的治療效果。清華大學(xué)的熊卓、張磊和孫偉教授的研究團(tuán)隊(duì)，合作開發(fā)了一種導(dǎo)電多尺度纖維神經(jīng)導(dǎo)管（MF-NGC），為周圍神經(jīng)損傷的治療提供了新思路（圖1）。相關(guān)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(dǎo)電MF-NGC示意圖

理想情況下，用于周圍神經(jīng)再生的NGCs應(yīng)具有以下關(guān)鍵特征： i)允許生長(zhǎng)因子擴(kuò)散，通過(guò)擴(kuò)散梯度向遠(yuǎn)段再生，同時(shí)阻止纖維瘢痕組織的浸潤(rùn)；ii)提供所需的地形線索，引導(dǎo)軸突生長(zhǎng)，同時(shí)促進(jìn)新生血管和免疫微環(huán)境重塑；iii)具有合適的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，保護(hù)再生SCs和軸突在神經(jīng)再生過(guò)程中免受進(jìn)一步損傷。

導(dǎo)電的MF-NGCs具有多功能性以增強(qiáng)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(xì)胞滲透的同時(shí)有利于營(yíng)養(yǎng)擴(kuò)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(zhǎng)提供各向異性指導(dǎo)；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(jī)械穩(wěn)定性和導(dǎo)電性能，以支持神經(jīng)生長(zhǎng)。掃描電子顯微鏡（SEM）顯微圖（圖2d）顯示，MEW可以產(chǎn)生高重復(fù)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(zhǎng)期修復(fù)中經(jīng)常遇到機(jī)械故障，因?yàn)橹踩氲膶?dǎo)管會(huì)經(jīng)歷反復(fù)的機(jī)械變形。因此，NGCs的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性需要為神經(jīng)生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的空間。導(dǎo)管的壓縮特性對(duì)于在體內(nèi)長(zhǎng)期保持形狀是必不可少的。通過(guò)循環(huán)壓縮試驗(yàn)評(píng)估了MH-NGCs和MF-NGCs管道的機(jī)械性。MH-NGCs在壓縮過(guò)程中表現(xiàn)出良好的壓縮恢復(fù)能力和結(jié)構(gòu)完整性（最大應(yīng)變率為60%）。即使經(jīng)過(guò)100次壓縮循環(huán)后，MH-NGCs的值仍約為其初始?jí)嚎s應(yīng)力的96%。在拉伸試驗(yàn)中，整個(gè)試驗(yàn)中MF-NGCs的張力明顯高于MH-NGCs。此外，MF-NGCs滿足了植入物力學(xué)穩(wěn)定性的要求，有利于保護(hù)再生的雪旺細(xì)胞和軸突在神經(jīng)再生過(guò)程中免受進(jìn)一步的損傷。

圖3 MF-NGC支架的力學(xué)和電學(xué)性能評(píng)價(jià)

NGC支架的生物相容性對(duì)神經(jīng)組織的再生非常重要。雪旺細(xì)胞（SCs）通過(guò)分泌神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)分子促進(jìn)周圍神經(jīng)的神經(jīng)突起生長(zhǎng)。RSC96細(xì)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(shí)了多尺度纖維支架的細(xì)胞相容性良好，RSC96細(xì)胞隨機(jī)分布在多尺度纖維支架表面，細(xì)胞活力較高（大于95%）。掃描電鏡圖像顯示清晰的SCs的細(xì)胞形態(tài)和定向微纖維，表明定向微纖維引導(dǎo)了SCs的生長(zhǎng)。通過(guò)將PC12細(xì)胞植入扁平的多尺度纖維支架中，研究了神經(jīng)元的生長(zhǎng)情況。支架上PC12細(xì)胞的活力和增殖能力與SCs相似。研究人員對(duì)此進(jìn)行了合理地推斷，充滿排列的導(dǎo)電微纖維的NF-NGCs是體內(nèi)神經(jīng)再生的一個(gè)極好的選擇。在體內(nèi)神經(jīng)再生過(guò)程中，被導(dǎo)管包裹的定向微纖維可以引導(dǎo)SC的生長(zhǎng)形成髓鞘，從而進(jìn)一步引導(dǎo)軸突的延伸。

圖4 MF-NGC支架的體外生物學(xué)性能

研究人員將制備的長(zhǎng)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(yáng)性對(duì)照，分析MF-NGC支架的動(dòng)物在體神經(jīng)修復(fù)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(shí)與自體移植物組（544 ± 75 nm）無(wú)顯著差異。同時(shí)，腓腸肌恢復(fù)和腿部功能恢復(fù)等實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，MF-NGC能夠顯著促進(jìn)神經(jīng)再生，與自體移植的效果相當(dāng)。

圖5 MF-NGC支架的動(dòng)物在體神經(jīng)修復(fù)效果

該研究使用復(fù)合增材制造技術(shù)制備的一種導(dǎo)電多尺度纖維神經(jīng)導(dǎo)管，表現(xiàn)出良好的纖維取向性、滲透性、導(dǎo)電性和機(jī)械穩(wěn)定性，通過(guò)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(xì)胞和調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞向M2表型轉(zhuǎn)變，顯著促進(jìn)外周神經(jīng)再生、髓鞘形成和腓腸肌等功能恢復(fù)，為周圍神經(jīng)損傷的治療開辟了新的途徑。

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https://doi.org/10.1002/advs.202205744