蘇州納米所CEJ：負(fù)載神經(jīng)干細(xì)胞3D打印導(dǎo)電神經(jīng)支架顯著改善脊髓損傷修復(fù)效果

來源：高分子科技

脊髓損傷（SCI）是一種嚴(yán)重的中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷性疾病,，損傷后大腦和周圍器官之間的神經(jīng)連接中斷,，導(dǎo)致?lián)p傷節(jié)段以下的感覺和運(yùn)動功能喪失,，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，并且對家庭和社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),。目前,，SCI的臨床治療方式主要包括手術(shù)治療、藥物治療和康復(fù)治療等,，盡管治療技術(shù)有了長足的進(jìn)步,，但恢復(fù)患者的感覺和運(yùn)動功能仍然是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

組織工程技術(shù)的迅速發(fā)展為SCI修復(fù)提供了新的策略,。目前,，具有特定物理和生物功能的神經(jīng)支架被廣泛開發(fā)，在植入后支架能夠?yàn)槭軗p脊髓組織提供力學(xué)支撐,，引導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞生長,，改善損傷處微環(huán)境，并促進(jìn)SCI的修復(fù),。為達(dá)到理想的治療效果,，組織工程支架應(yīng)仿生天然脊髓的組織結(jié)構(gòu)和生理功能，并針對SCI的病理生理特征對細(xì)胞和生物材料的沉積進(jìn)行精確調(diào)控,。由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性,，傳統(tǒng)組織工程方法難以模擬脊髓組織生理結(jié)構(gòu)，從而限制了治療效果,。

運(yùn)用生物3D打印技術(shù)精確控制材料與細(xì)胞的分布,，構(gòu)建具有類脊髓組織結(jié)構(gòu)和生理功能的仿生支架，植入損傷部位,，是解決這一問題的有效途徑,。 生物3D打印是將生物材料和細(xì)胞、細(xì)胞因子等按組織功能,、細(xì)胞特定微環(huán)境等要求,，用3D打印制造出具有個(gè)性化的體外三維模型的一種技術(shù)。近年來,，中科院蘇州納米所張智軍研究員團(tuán)隊(duì)采用擠出式生物3D打印制備了負(fù)載神經(jīng)干細(xì)胞（NSC）的支架,。結(jié)果表明，在支架的保護(hù)下,，植入的NSC在體內(nèi)存活時(shí)間長達(dá)12周,，并且分化成神經(jīng)元,，形成神經(jīng)纖維，實(shí)現(xiàn)軸突再生,，顯著改善了SCI大鼠后肢運(yùn)動功能（Biomaterials 2021, 272, 120771,；Acta Biomaterialia 2022, 10.1016/j.actbio.2022.08.031）。然而,，目前開發(fā)的仿生支架仍然以模擬脊髓神經(jīng)束的平行排列結(jié)構(gòu)為主,，缺乏對于脊髓組織的電生理功能的仿生，難以滿足脊髓神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的要求,。

針對上述挑戰(zhàn),，中科院蘇州納米所張智軍研究員科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于甲基丙烯酰化明膠（GelMA）,、甲基丙烯�,；�透明質(zhì)酸（HAMA）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：磺化木質(zhì)素（PEDOT:LS）的新型導(dǎo)電水凝膠（圖1）。其中,，GelMA/HAMA模擬神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞外基質(zhì),，為支架提供力學(xué)支撐，也為NSC提供適合的生長環(huán)境,；PEDOT是一類導(dǎo)電性高,、生物相容性好的導(dǎo)電高分子，LS的摻雜有效提高了PEDOT的分散性,。PEDOT:LS的引入顯著提高支架的導(dǎo)電性,，使得支架的電導(dǎo)率與天然脊髓白質(zhì)相當(dāng)（0.60 S m-1）。通過精確調(diào)節(jié)光固化時(shí)間,，水凝膠顯示出與脊髓組織相似的機(jī)械性能（儲能模量 ≈ 1 KPa）,，并且其多孔結(jié)構(gòu)與溶脹特性適合于NSC的生長（圖2）。將導(dǎo)電水凝膠前驅(qū)體溶液與NSC共混制備生物墨水,，通過擠出式生物3D打印技術(shù)制備導(dǎo)電脊髓仿生支架,。打印后，NSC的存活率超過90%,，并且能夠在支架內(nèi)展現(xiàn)良好的增殖行為（圖3）,。更重要的是，與非導(dǎo)電支架相比,，導(dǎo)電支架顯著促進(jìn)了NSC向神經(jīng)元的分化（圖4）,。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建大鼠脊髓全橫斷模型，植入仿生支架極大地促進(jìn)了SCI大鼠后肢運(yùn)動功能的恢復(fù)（圖5）,。損傷斷面處免疫熒光染色結(jié)果進(jìn)一步表明,，導(dǎo)電仿生支架有效地促進(jìn)了損傷部位神經(jīng)元的再生，減少了膠質(zhì)瘢痕的沉積，并促進(jìn)了神經(jīng)軸突的再生和髓鞘化（圖6）,。本項(xiàng)研究開發(fā)的導(dǎo)電脊髓仿生支架,，為SCI的修復(fù)提供了一種新策略。

圖1 生物3D打印導(dǎo)電脊髓仿生支架促進(jìn)脊髓損傷修復(fù)的示意圖,。

圖2 導(dǎo)電水凝膠的性能表征：（A）儲能模量與損耗模量,；（B）溶脹率；（C）SEM照片,；（D）電導(dǎo)率；（E）阻抗譜,。

圖3 生物3D打印制備負(fù)載神經(jīng)干細(xì)胞的仿生支架：（A）支架內(nèi)的NSC在1天和7天的活/死染色示意圖,；（B）打印后NSC的存活率；（C）NSC在支架內(nèi)培養(yǎng)1天,、3天和7天的細(xì)胞活力,。

圖4 導(dǎo)電水凝膠支架促進(jìn)NSC向神經(jīng)元分化：（A）NSC向神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞分化的免疫熒光染色；（B）NSC分化的定量統(tǒng)計(jì)結(jié)果,。

圖5 治療后SCI大鼠的運(yùn)動功能恢復(fù)狀況：（A）BBB運(yùn)動功能評分結(jié)果,；（B）斜板實(shí)驗(yàn)結(jié)果；（C）不同實(shí)驗(yàn)情況下大鼠的后肢姿態(tài)對比,。

圖6 導(dǎo)電仿生支架促進(jìn)脊髓損傷部位神經(jīng)元再生：損傷截面處GFAP,、 Tuj-1、MAP2和NF免疫熒光染色和表達(dá)量統(tǒng)計(jì),。

該工作以“3D bioprinted conductive spinal cord biomimetic scaffolds for promoting neuronal differentiation of neural stem cells and repairing of spinal cord injury”為題發(fā)表在《Chemcial Engineering Journal》上,。中科院蘇州納米所博士后杲辰為論文的第一作者，中科院蘇州納米所張智軍研究員和黃潔副研究員為共同通訊作者,。該研究得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)（XDA16020100）,、國家自然科學(xué)基金（32171367）等項(xiàng)目的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138788