ACS Nano：光热响应性导电水凝胶用于外周神经修复

文章来源：北科新材浏览次数：3737时间：2021-01-21 QQ学术交流群：1092348845

生物组织具有柔软、弹性、可变、可重构、可更新的特点。柔性电子的快速发展为仿生材料带来了很多优点，比如可伸展、可缠绕、可卷曲、可降解、自愈性等。因此，他们可用于可穿戴电子、人造皮肤、个体健康管理器、医用植入假体、人机交互界面等方面。亲水性水凝胶更适用于活性组织的生物微环境，使之成为理性的生物电子学材料。
外周神经损伤常导致神经传导障碍、慢性疼痛、麻痹甚至是残疾。自体神经移植是修复外周神经的常用手段。目前有以下问题困扰临床修复外周神经：供体短缺，需数次手术，长时间张力过大使突触再生障碍，术后疼痛性神经瘤的形成风险，尤其是难以用断端缝合的严重型神经中断。
神经组织工程在于修复运动和感觉神经的功能。使用自然材料或合成材料作为植入神经导管或支架用于神经细胞的生长。临床方面希望出现具有有效并快速修复的移植物替代自体神经移植。导电性水凝胶成为首选，因为它结合水凝胶的生物相容性和导电聚合物能进行神经组织电信号传导的优点，也能够利用电信号促进神经细胞再生。
水凝胶模拟活性组织具有以下优点：高度的韧性，有效的自愈能力以及生理环境敏感性。研究人员设计了一种具有良好外周神经功能的光热响应性可伸展的导电水凝胶。当机械延伸的时候水凝胶具有传导耐受性，因此适用于缝合神经在运动中的意外牵拉。它适用于严重外周神经损伤的修复，尤其是超过10mm的神经缺失。利用近红外光进行照射时，水凝胶的导电性会增加（图1）。

实验设计：高度灵活性与近红外光响应的导电聚合物水凝胶用于修复外周神经损伤
现代柔性电子技术的发展已经将生物电子材料作为体内人工组织加以利用。水凝胶与神经组织相似，功能化水凝胶成为生物电子的前沿备选材料。外周神经损伤常导致麻痹、慢性疼痛、神经功能障碍甚至残疾。因为它的损伤影响了大脑与机体的电信号传导。研究人员开发了一种光敏性的可伸展导电聚合物（CPH）用于人造神经的研究。近红外光可以促进CPH的导电性，进而促进生物电信号的传导。当机械性延长CPH时，它仍能维持导电性，因此它可以耐受运动中神经组织的意外拉伸。CPH可作为较好的重度神经损伤的移植物，尤其是长度超过10mm的外周神经缺失。
CPH制备：通过共聚聚苯胺(PANI)和聚丙烯酰胺(PAM)，制备具有优异导电性、力学性能、生物相容性，与神经组织类似于的韧性导电水凝胶。PAM的酰胺键可以与苯胺分子相互作用，苯胺分子可以原位吸附并诱导苯胺聚合，形成透明的PAM/PANI导电凝胶(1A)。CPH冻干后拍摄电镜，呈多孔结构。CPH在无或有不同应变张力时均可导电。在近红外光照射下，PANI可以增强周围神经的生物电信号，对修复和/或替代受损的周围神经有重要作用。

图1 CPH的制备

CHP物理学及电学特性：PANI的加入使CPH电阻率较PAM明显增高，较原有导电水凝胶ITO增高，较神经组织增高，故可用于神经组织修复（2A）。而且CPH在PBS中的电活性可被电化学阻抗检测，PAM和CPH的奈奎斯特曲线在高频区呈准半圆形，表明PAM和CPH都具有电荷转移的能力（2B）。与PAM相比，CPH具有较低的电荷转移电阻。在PBS中PAM溶胀为4400%，CPH为2200%（2C），虽有减小，但仍能满足运动过程中的神经伸展需求。储存模量较损耗模量低(2D)，显示CPH为稳定的弹性体。CPH弹性模量为350Pa，适于生物体移植。有限元分析CPH替换损伤坐骨神经生物电信号传导的适用性。髓鞘能将神经与导电性体液隔离，促进生物电信号的传递。CPH可将截断后神经电信号进行传导，髓鞘结构的缺失使电信号部分丢失，但不影响信号传递(2E)。由于PANI具有近红外光响应特性，研究人员考虑是否可以使用近红外光促进生物点信号传导。在近红外光照射下CPH生物电信号的损失降低（2F）。多孔结构的电子传递使CPH表现出电流响应。CPH辐照60ms后，电流由1.95 nA增加到2.3 nA,证明CPH具有近红外光响应特点(2G )。有限元分析也显示相同结果，电流可增加60%，即电阻下降40%（2H）。不同拉伸条件下在NIR光照射下，电阻率总体呈下降趋势，去除NIR光照射后，电阻率恢复到原来的水平（2I）。

图2 CPH的物理和电学性质

体外蟾蜍神经检测：分离蟾蜍坐骨神经，体外检测CPH电信号传递。图3A、3B所示，刺激坐骨神经可引起腓肠肌收缩。随刺激CPH增加，腓肠肌收缩增加（3D）。CPH传导时间与原生神经类似，提示CPH可用于外周神经损伤修复（3E）。腓肠肌收缩张力随CPH拉伸长度的增加而减小。将CPH拉伸至1.3倍时，腓肠肌收缩张力保留90%以上（3F）。研究人员发现，在近红外光(915 nm)下腓肠肌产生的张力明显高于暗光或蓝光下(图3G)。此外，由于近红外光对组织的穿透性较好，将有可能利用近红外光增强神经传导，替代体内受损的神经。

图3 CPH体外置换蟾蜍坐骨神经

大鼠模型坐骨神经修复：寻找大鼠坐骨神经将1CM CPH植入损伤模型中（4A）。用单相电波形(5毫秒单脉冲)刺激坐骨神经时，横断组CMAPs的峰值对称性与健康神经明显不同。相比之下，CPH替代组与健康神经的峰对称性相似，说明CPH可以替代损伤神经，实现生物电信号的转导(4B、4C)。此外，研究人员还分析了CMAPs在不同时间的最大振幅。在恢复的各个阶段，特别是术后2周和4周后，CPH替代组的胫骨前肌激活均显著高于横断组（4D）。步态实验显示CPH替代组优于横断组(4E、4F)。
HE染色结果显示， CPH替代组和横断组，炎症反应和纤维化较小。甲苯胺蓝染色显示，CPH替代组的髓鞘比横断组大和厚(5A、B)。组织中GFAP的升高是神经系统对损伤反应的标志信号，有利于神经损伤的修复。CPH替换后一个月,GFAP的表达水平较横断组高，证明CPH有良好的生物安全，而且CPH可能导致周围神经的修复(5C)。高水平的CGRP通常在损伤部位的近端残端表达。CGRP的表达水平与坐骨神经组相似，低于横断神经组，说明CPH置换后对损伤神经组织无明显刺激作用（5D）。

图4 手术植入

图5 CPH在体内的生物相容性：(A、B) HE染色与CPH或横断神经接触的神经甲苯胺蓝染色；(C、D) GFAP和CGRP的免疫荧光图像

总之，研究人员利用PAM和PANI共聚，形成具有良好导电性、生物相容性，机械特性与神经组织类似的CHP。通过体外蟾蜍神经电生理检测，证明了其良好的性能；体内数据现实移植CPH可替代坐骨神经缺失。提示CPH可以作为一种潜在的生物材料在组织工程中替代受损的周围神经。

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