骨髓间充质干细胞负载HAMA水凝胶的高仿生神经导管的构建及其促进周围神经再生的研究

《Bio-Design and Manufacturing》：Bone marrow mesenchymal stem cell-loaded HAMA hydrogel within highly bionic nerve guidance conduits for peripheral nerve regeneration

本研究针对传统神经引导导管（NGC）缺乏生长因子和仿生微环境的问题，开发了一种结合高压电纺丝和电流体动力打印技术的高仿生神经导管（HB-NGC）。该导管外层为负载羧基化多壁碳纳米管（cMWCNTs）的导电聚己内酯（PCL）纤维，内层为高取向PCL纤维，管腔填充骨髓间充质干细胞（BMSCs）的透明质酸甲基丙烯酰酯（HAMA）水凝胶。体内外实验表明，HB-NGC能有效引导轴突生长、传导电信号并持续释放神经营养因子，显著促进大鼠坐骨神经再生和功能恢复，为长距离周围神经缺损修复提供了新策略。

　　

周围神经损伤是临床常见的创伤性疾病，常导致感觉障碍、运动功能丧失甚至终身残疾。尽管自体神经移植仍是修复的“金标准”，但供体来源有限、二次手术创伤及功能恢复不理想等问题突出。神经引导导管（NGC）作为一种替代方案，已被美国FDA和中国NMPA批准用于临床，但现有产品多为空心管状结构，缺乏仿生微环境，难以支持长距离神经再生。如何模拟天然神经的复杂结构（如轴突导向通道、电信号传导功能及细胞外基质微环境）成为突破瓶颈的关键。

在此背景下，河北工业大学王保林团队联合英国阿尔斯特大学Ming-Wei Chang等人在《Bio-Design and Manufacturing》发表研究，通过高压电纺丝与电流体动力（EHD）打印技术融合，开发出一种高仿生神经导管（HB-NGC）。该导管不仅复刻了天然神经的物理结构、电导特性及细胞微环境，还通过负载骨髓间充质干细胞（BMSCs）实现神经营养因子的持续释放，为周围神经再生提供了创新性解决方案。

研究团队采用多技术联用策略：首先通过EHD打印制备高取向PCL纤维作为导管内层，模拟神经束的定向引导作用；外层通过电纺丝技术构建负载cMWCNTs的PCL纤维层，赋予导管导电性；管腔注入BMSCs负载的HAMA水凝胶，模拟细胞外基质（ECM）功能。利用扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等对导管形貌、化学结构及亲水性进行表征；通过轴向拉伸实验和体外降解实验评估力学性能与稳定性；采用细胞迁移实验（划痕法）、CCK-8检测及活死染色验证生物相容性；最后通过大鼠坐骨神经缺损模型（10 mm间隙）进行体内功能评价，包括步态分析（SFI/SSI指数）、肌肉湿重比测定及组织染色（H&E、Masson、免疫荧光、透射电镜等）。

3.1 HB-NGC的结构与性能表征

SEM显示导管内层为高度定向的PCL纤维（直径75.99±6.08 μm），外层为cMWCNTs-PCL电纺纤维（直径3.03±1.46 μm），HAMA水凝胶填充腔隙后形成多孔结构（孔径15.83±4.10 μm），三层结构紧密整合（图2c-2g）。FTIR证实各组分化学结构稳定，无相互反应。接触角测试表明外层疏水（105.9°±7.0°）、内层亲水（67.6°±5.5°），HAMA水凝胶完全亲水，形成定向液体引导微环境。力学测试显示NGC拉伸强度达（17.3±0.9）MPa，高于天然神经（11.7 MPa），12周降解后重量保留率92.68%，满足长期植入需求。

3.2 体外细胞实验验证功能优势

活死染色显示BMSCs在HAMA水凝胶中存活率高（图4a），ELISA检测证实其可持续分泌VEGF-A等因子（图4b）。RSC96细胞沿内层取向纤维生长（图4c），NGC+HAMA(BMSCs)组细胞迁移率（97.7%）显著高于对照组（92.3%）（图4d-4e）。CCK-8实验表明导管无细胞毒性，且BMSCs负载组细胞活性最高（图4f），归因于其旁分泌作用。

3.3 动物实验证实神经修复效能

术后12周，NGC+HAMA(BMSCs)组大鼠步态指数（SFI=-52.2±1.2，SSI=-58.1±2.6）接近自体移植组（SFI=-34.8±1.4），显著优于未填充组（图5b-5d）。免疫荧光显示该组β-微管蛋白（β-tubulin）和S100阳性面积分别达（71.5±0.8）%和（64.1±0.2）%，提示轴突和雪旺细胞再生活跃（图6）。TB染色及TEM进一步证实髓鞘形成质量最佳，髓鞘厚度（0.57±0.01 μm）与自体组无显著差异（图7）。肌肉分析显示该组小腿三头肌湿重比（63.2±8.6%）、肌纤维直径（78.6±10.9 μm）最高，胶原沉积（4.6±0.4%）最低（图8），表明神经功能重建有效抑制肌肉萎缩。

本研究通过多技术融合构建的HB-NGC，成功模拟了天然神经的物理导向、电信号传导及ECM微环境三重功能。BMSCs的旁分泌作用与HAMA水凝胶的协同效应，显著提升了长距离神经再生的效率。该导管在力学强度、降解可控性及生物相容性方面均优于传统NGC，为临床修复周围神经缺损提供了兼具结构仿生与功能主动修复的新型植入器械方案。未来可通过优化干细胞定向分化策略或整合电刺激调控，进一步逼近天然神经再生微环境。