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(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)允許生長因子擴(kuò)散，通過擴(kuò)散梯度向遠(yuǎn)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(dǎo)軸突生長,，同時促進(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)胞滲透的同時有利于營養(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。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在長期修復(fù)中經(jīng)常遇到機(jī)械故障，因?yàn)橹踩氲膶?dǎo)管會經(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)生長提供穩(wěn)定的空間。導(dǎo)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(yàn)評估了MH-NGCs和MF-NGCs管道的機(jī)械性,。MH-NGCs在壓縮過程中表現(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100次壓縮循環(huán)后，MH-NGCs的值仍約為其初始壓縮應(yīng)力的96%,。在拉伸試驗(yàn)中,，整個試驗(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(xì)胞（SCs）通過分泌神經(jīng)營養(yǎng)分子促進(jìn)周圍神經(jīng)的神經(jīng)突起生長,。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。通過將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)再生的一個極好的選擇,。在體內(nèi)神經(jīng)再生過程中，被導(dǎo)管包裹的定向微纖維可以引導(dǎo)SC的生長形成髓鞘,，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(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周時與自體移植物組（544 ± 75 nm）無顯著差異,。同時，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,。

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