3D 打印導電多尺度神經導管“一石三鳥”加速周圍神經再生

來源：EngineeringForLife

外周神經損傷是神經系統(tǒng)最常見的創(chuàng)傷性損傷之一，自體神經移植是治療的金標準，但存在供體有限、供體功能喪失、神經瘤形成、神經扭曲或脫位、神經直徑不匹配等問題，神經導管（NGC）作為潛在治療方法正日益受到關注。現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導管（MF-NGC），為周圍神經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，以支持神經生長。掃描電子顯微鏡（SEM）顯微圖（圖2d）顯示，MEW可以產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在長期修復中經常遇到機械故障，因為植入的導管會經歷反復的機械變形。因此，NGCs的機械強度和穩(wěn)定性需要為神經生長提供穩(wěn)定的空間。導管的壓縮特性對于在體內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在壓縮過程中表現出良好的壓縮恢復能力和結構完整性（最大應變率為60%）。即使經過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組織的再生非常重要。雪旺細胞（SCs）通過分泌神經營養(yǎng)分子促進周圍神經的神經突起生長。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是體內神經再生的一個極好的選擇。在體內神經再生過程中，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修復效果。在自體移植物組和MF-NGC組中，大多數再生軸突被厚、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果均表明，MF-NGC能夠顯著促進神經再生，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導管，表現出良好的纖維取向性、滲透性、導電性和機械穩(wěn)定性，通過大鼠坐骨神經缺損模型發(fā)現其能夠快速募集血管細胞和調節(jié)巨噬細胞向M2表型轉變，顯著促進外周神經再生、髓鞘形成和腓腸肌等功能恢復，為周圍神經損傷的治療開辟了新的途徑。

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