压电导电智能支架联合定制体外机械刺激器在无创神经组织再生中的设计与应用

这篇综述创新性地设计了一种基于静电纺丝纳米纤维的压电导电神经导管（PCNC），通过结合聚偏氟乙烯（PVDF）、钛酸钡（BTO）纳米颗粒和还原氧化石墨烯（rGO）的多功能复合材料，实现了自发电刺激以模拟神经组织电生理微环境。研究同步开发了低成本3D打印动态机械刺激器（IMS），证实了机械-电信号协同作用可显著促进PC12细胞神经分化标志物（β-tubulin III/MAP2）表达，为外周神经损伤（PNI）修复提供了兼具拓扑引导与无线电刺激的新型治疗策略。

　　

摘要

外周神经损伤（PNI）的治疗长期面临自体移植供体短缺和电刺激技术临床转化难的挑战。本研究突破性地构建了双层压电导电神经导管（PCNC）：外层采用随机排列的聚氨酯（PU）纳米纤维提供机械支撑，内层为钛酸钡（BTO）/还原氧化石墨烯（rGO）增强的定向排列聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维，兼具拓扑引导与压电-导电双重特性。通过定制3D打印机械刺激器（IMS）施加动态压缩载荷（1.5N，0.3Hz），PCNC可产生与神经组织匹配的局部电场（输出电位≈1.1V），显著提升PC12细胞的神经分化标志物β-tubulin III表达量达2.3倍（第14天），证实了无线机械电刺激对神经再生的协同促进作用。

1 引言

传统神经导管（NGC）因缺乏生物电活性导致再生效率受限。压电材料（如PVDF）通过机械-电信号转换可模拟神经电微环境，但现有研究多忽视动态刺激对细胞命运的调控机制。本研究首次将铁电体BTO（介电常数>1000）与导电rGO整合至PVDF纳米纤维，利用BTO的钛氧八面体畸变（XRD显示2θ=45°分裂峰）增强β相含量（FTIR中839cm^-1特征峰），rGO则通过sp²杂化碳网络（拉曼D/G带强度比0.89）实现电荷均匀分布（电荷转移电阻降至11.44kΩ）。

2 结果与讨论

材料表征：双层支架展现优异力学性能（拉伸强度15.44±2.73MPa，断裂伸长率469%），FESEM显示PVDF-BTOrGO纤维直径（178±70nm）显著小于PU层（437±121nm），FFT分析证实内层纤维取向度达80%（椭圆状灰度像素分布）。压电测试显示器件在0.2N载荷下产生1.1V输出电压，极性反转实验（180°相位差）验证信号源自压电效应而非干扰。

生物相容性：IMS刺激下，S42施万细胞在PCNC上呈现定向密集生长（荧光染色显示F-actin沿纤维轴向排列），PC12细胞的β-tubulin III mRNA表达量在第7/14天分别提升1.8倍和2.3倍（qPCR，p<0.05），MAP2表达呈上升趋势。机制上，BTO的压电势通过rGO导电网络激活电压门控钙通道，协同PVDF纤维的接触引导作用促进神经元突触延伸。

3 结论与展望

该PCNC通过"机械力-压电-电信号-细胞响应"级联反应实现神经原位再生，未来可结合微流控技术优化动态刺激参数。3D打印IMS的模块化设计（ABS材质，440g）为临床转化提供低成本解决方案。

4 实验方法

BTO采用水热法合成（180°C/12h），rGO通过柠檬酸还原法制备。静电纺丝参数：20kV电压，PVDF-BTOrGO溶液流速1mL/h。细胞实验使用DMEM培养基（10%FBS），IMS每日刺激1小时。qPCR引物β-tubulin III退火温度58°C。