福大杨黄浩/张进、长春应化所丁建勋、西京医院黄景辉、吉大一院刘彬AM：仿生毛竹复合支架，加速周围神经再生

摘要：由创伤和疾病引起的组织损伤占全球总死亡人数的10%，这一严峻现状对生物材料领域提出了迫切需求，即有必要开发有效修复受损组织的实用性解决方案。在此过程中，仿生组织工程支架对促进组织再生和功能重建发挥着至关重要的作用。尽管仿生组织再生策略已取得了显著性进展，但长段

由创伤和疾病引起的组织损伤占全球总死亡人数的10%，这一严峻现状对生物材料领域提出了迫切需求，即有必要开发有效修复受损组织的实用性解决方案。在此过程中，仿生组织工程支架对促进组织再生和功能重建发挥着至关重要的作用。尽管仿生组织再生策略已取得了显著性进展，但长段组织缺损的有效修复仍是临床面临的主要挑战。具体而言，长段周围神经损伤（PNI）每年影响全球超过百万人，是一种严重的临床疾病。轴突缓慢生长是严重阻碍神经再生的关键因素，它不仅会引发瘢痕形成、抑制施万细胞（SCs）成熟，并最终还将导致靶器官萎缩和功能修复，致使修复效率降低。

鉴于此，福州大学杨黄浩/张进教授联合中科院长春应化所丁建勋研究员、第四军医大学西京医院黄景辉教授、吉林大学第一医院刘彬教授，受天然毛竹快速生长（100 cm day−1）机制的启发，创新性地构建了一种具有定向中空管拓扑结构和弯曲压电特性的仿生毛竹复合支架（TPPC），为治疗长段PNI提供了新方法。该支架的定向中空管双层结构是由韧性为2.59 ± 0.16 MJ m−2的外部水凝胶层和取向度为4.68° ± 7.58°的内部纳米纤维层组成。这种结构防止了手术移植过程中的弯曲损伤，并提供了拓扑线索来增强轴突的方向性伸长。此外，聚乙烯醇（PVA）被首次证实具有压电特性，压电系数（d33）为12.2 pm V−1，开路电压约为20 mV。通过增加非中心对称结构的含量、提高永久偶极矩和引入电子空穴分离，使PVA基水凝胶电压值增加到0.95 ±0.02 V，以满足轴突分化的需求。大量的细胞和动物实验结果证明，该支架在促进神经刺激与功能恢复方面表现出显著优势。与对照组相比，支架组轴突长度和髓鞘直径分别增加了3.1倍和1.6倍，同时也显著促进了血管生成。此外，相较于临床黄金标准自体移植组，支架治疗组对长段周围神经损伤的修复效率可达到其80%，有效促进了大鼠损伤后的运动功能恢复。受毛竹启发的PVA基支架，通过其定向中空管双层结构与压电特性之间的协同作用，为治疗长段PNI提供了一种高效策略。这一创新不仅有助于推动神经再生领域的发展，也为治疗退行性疾病的临床方法开辟了新途径。

该研究以“Bamboo-Inspired Composite Conduit Accelerates Peripheral Nerve Regeneration through Synergistic Oriented Structure and Piezoelectricity”为题发表在《Advanced Materials》上。论文共同第一作者为福州大学张进教授、福州大学博士研究生李风录以及第四军医大学西京医院博士研究生高雪。该工作得到科技部国家重点研发计划青年科学家项目、教育部青年长江学者项目、国家自然科学基金面上项目、中国科协青年人才托举工程项目、福建省雏鹰计划青年拔尖人才、福建省杰出青年基金等的资助。

TPPC复合导管的仿生结构和物理性能

毛竹的定向中空管双层结构是其快速生长的关键决定因素（图1）。扫描电镜结果显示，这种结构是由外部多孔的网络层和内部高度取向的纤维层组成。为了模仿毛竹的结构特征，利用静电纺丝结合预凝胶交联技术制备了一种新型仿生TPPC复合神经支架。该支架外层水凝胶（TP），具有均匀的多孔结构，平均孔径为0.70 ± 0.13 μm，有利于营养物质传输和血管形成。内层为高度定向排列的静电纺丝纤维（PC），平均直径为3.12 ± 0.13 μm，为神经细胞粘附、迁移和轴突延伸提供拓扑引导线索。在物理性能方面，TPPC导管表现出优异的机械韧性。外层水凝胶具备抗疲劳性，并且整体导管弯曲强度高达2.56 ± 0.39 MPa，连续弯曲100次未发生结构损坏。得益于聚合物链渗透和氢键作用，TP预凝胶与PC纤维层间的粘附强度高达152.77 kPa，支架界面结合牢固。此外，导管在PBS溶液中浸泡三个月后仍保持80%左右的质量，降解性能适宜，能够为神经再生提供长期稳定的支撑环境。综上，TPPC导管凭借其仿生结构、强机械性、稳定界面和良好生物降解性，展现出应用于长段神经再生的良好潜力。

图1. TPPC复合导管的仿生结构和物理性能

PVA、TP水凝胶和TPPC支架的压电特性

PVA原则上应表现出与毛竹纤维素相似的压电性能，因为它含有丰富的羟基基团和具有特定偶极矩的线性分子链，但目前并未见报道。这项研究首次在纯PVA中观察到了压电信号，其压电常数d33为12.2 pm·V⁻¹，开路电压约为20 mV（图2）。PVA的压电信号较弱，主要受限于活性羟基数量和非中心对称结构不足。为了提高压电性能，引入甘油和钛酸钡功能化纳米颗粒（TB），构建TP水凝胶。一方面，甘油通过竞争氢键释放更多活性羟基，提高分子链偶极矩（从13.444 D增至14.866 D）；另一方面，TB纳米颗粒提供离子-电子位移极化协同贡献。TP水凝胶在15 N应力下，连续180次循环后仍保持稳定输出（0.95 ± 0.02 V），表现出优异的耐久性。进一步地，基于TP水凝胶与PC定向静电纺丝纤维组装成的TPPC仿生导管，在模拟人体运动环境中表现出良好的压电响应性能。并将其固定于大鼠的前爪、后爪和脚跟，可在自然运动状态下实时产生超过100 mV的电压信号，有效提供促进神经再生需要的电刺激条件。总之，添加甘油和TB纳米粒子可以协同增强PVA基水凝胶的压电性能。

图2. PVA、TP水凝胶和TPPC支架的压电特性

TPPC支架表现出良好的生物相容性和神经发生特性（图3）。Live/Dead染色与CCK-8实验结果表明，SCs在支架上存活率高，形态呈定向排列，显示支架无细胞毒性。通过免疫荧光、Western blot和qRT-PCR分析发现，施加压电刺激的TPPC (+) 组显著促进了SCs的细胞骨架有序生长，并上调神经营养因子（NGF、GAP43）的表达，其mRNA水平分别为对照组的2.52倍和1.69倍。在与背根神经节（DRG）组织块共培养实验中，TPPC (+) 组诱导轴突定向延伸，最大和平均轴突长度分别达6490.0 ± 626.1和5694.9 ± 659.4 µm，其性能优于之前报道的用于周围神经再生的仿生或非仿生支架。同时，钙离子（Ca2+）成像实验揭示了压电刺激通过诱导Ca2+内流促进轴突快速生长的作用机制。此外，在人脐静脉内皮细胞管腔形成实验中，TPPC (+) 组的节点数和总管长均显著高于对照组，VEGF和CD31的表达水平也明显上调，表明其具有促血管生成能力。综上所述，受毛竹启发的支架通过其仿生定向中空管双层结构和压电性能有效地促进轴突快速生长和血管网络重建。

图3. 体外SCs存活率、轴突生长和血管化的表征

TPPC支架促进神经再生的功能性评价

进一步将TPPC支架移植到大鼠坐骨神经损伤10 mm模型中进行体内神经功能恢复评估（图4）。术后12周，TPPC组的坐骨神经功能指数（–34.2 ± 3.4）和复合肌肉动作电位振幅（5.26 ± 0.68 mV）均接近自体移植组，表明运动功能恢复良好。在感觉功能方面，TPPC组机械刺激撤足阈值（1.27 ± 0.23 g）和热刺激反应时间（5.80 ± 0.68 s）也与自体移植组无显著性差异，证明TPPC支架能有效促进感觉神经再生。此外，TPPC支架明显延缓了腓肠肌萎缩程度，手术侧/健康侧湿重比率高达56.9%，肌纤维面积占比也显著高于其他实验组，进一步地证实其通过电刺激和拓扑引导协同促进神经再生及靶肌肉修复。

图4. TPPC支架促进神经再生的功能性评价

体内轴突再生、髓鞘形成和血管化的表征

TPPC支架在术后12周显著促进了大鼠坐骨神经缺损模型中的轴突再生、髓鞘形成以及血管化（图5，图6）。免疫荧光图片显示，TPPC组的β-tubulin-Ⅲ和S100阳性表达连续且分布有序，轴突实现从近端到远端的延伸且未见中断。髓鞘形成方面，TPPC组有髓轴突数量（27.8 ± 3.4）和髓鞘直径（3.7 ± 0.4 μm）与自体移植组相当，髓鞘厚度（453.01 ± 49.57 nm）和G比值（0.77 ± 0.04）均显著优于空白与单功能支架组。此外，TPPC组的CD34和CD31表达水平增强，新生血管样结构数量每平方毫米71.25 ± 21.87个，显著高于其他组，证明其有效促进血管网络重建，为神经再生提供营养支持。

图5. TPPC支架促进体内轴突再生和髓鞘形成

图5. 体内血管化表征

基因表达谱图及其潜在分子机制

为了探究压电信号对神经再生的调控机制，通过RNA-seq分析了与TPPC (−)和TPPC (+) 支架共培养的SCs和DRGs的转录组变化（图6）。与TPPC (−)组相比，TPPC (+) 组中SCs有65个基因上调、116个下调，DRGs中224个基因上调、269个下调。GO和KEGG富集分析结果表明，差异基因主要涉及轴突延伸、血管发育、神经元迁移等生物过程，并激活Notch和MAPK信号通路。GSEA进一步分析显示，TPPC (+) 组中与突触组装、轴突成束、血管生成调控（如FGF1、Bmper、Sema5a等）相关的基因明显富集。总之，RNA-seq数据表明，仿生复合支架产生的压电信号通过调控多个关键基因和信号通路，协同促进神经再生与血管化过程。

图7. 基因表达谱图及其潜在分子机制

总结

受天然毛竹快速生长机制的启发，本研究成功构建了一种具有定向中空管双层结构和压电特能的仿生复合神经导管，以促进大鼠10 mm坐骨神经损伤的有效再生。本研究首次报道了纯PVA的压电性能，并通过增加的非中心对称结构、永久偶极矩和电子-空穴分离的协同效应，进一步增强其压电输出性能。未来，团队有望通过集成无线传感实现自刺激与监测功能，并借助大型动物模型验证其长期疗效与适应性，为其在临床长段周围神经损伤修复领域的转化应用奠定坚实基础。