负载脐带间充质干细胞的双网络水凝胶神经导管促进周围神经损伤修复

本研究针对周围神经损伤修复中水凝胶神经导管机械强度不足和生物活性有限的问题，开发了负载人脐带间充质干细胞(ucMSCs)的明胶甲基丙烯酰胺(GelMA)/海藻酸盐双网络水凝胶神经导管(NGCs)。通过光交联和离子交联的协同作用，该导管展现出优异的抗疲劳、抗缝合和抗扭结性能。在大鼠坐骨神经缺损模型中，ucMSCs-laden DN NGCs在功能恢复、轴突再生和髓鞘形成方面显著优于医用硅胶导管和无细胞水凝胶导管，为周围神经再生提供了新型治疗平台。

　　

周围神经损伤是临床常见的创伤性疾病，常导致感觉丧失、肌肉萎缩和慢性疼痛，严重影响患者生活质量。目前，自体神经移植仍是治疗严重周围神经损伤的"金标准"，但面临供体组织有限、供区发病率等局限性。神经导管作为替代方案，能够为轴突再生提供物理引导并防止瘢痕形成，然而现有导管在机械性能和生物活性方面仍存在不足。水凝胶材料因其组织模拟特性（高含水率、柔软性、多孔性）被视为理想的神经导管材料，但传统水凝胶机械强度弱，难以在动态的周围神经环境中提供长期保护。

针对这一挑战，研究人员开发了创新性的双网络水凝胶系统，将人脐带来源间充质干细胞(ucMSCs)封装于明胶甲基丙烯酰胺(GelMA)和海藻酸盐构成的双网络水凝胶导管中。该研究成果发表在《Bioactive Materials》上，为周围神经损伤修复提供了新的解决方案。

研究团队采用了一系列关键技术方法：通过顺序光交联和离子交联制备双网络水凝胶导管；利用扫描电镜(SEM)和流变学分析表征材料特性；通过活/死染色和共培养实验评估细胞活性和功能；建立大鼠坐骨神经10mm缺损模型进行体内评价；采用脚印分析、电生理检测、组织学分析和透射电镜(TEM)等多维度评估神经再生效果。

3.1. Preparation of GelMA/alginate DN hydrogel NGCs

研究人员通过两步交联工艺成功制备了双网络水凝胶神经导管：首先通过紫外光聚合交联GelMA网络，随后通过钙离子离子交联海藻酸盐网络。核磁共振氢谱(¹H NMR)证实GelMA的官能化度为69.3±1.5%。扫描电镜显示DN水凝胶具有更厚的孔壁(13.7±7.1μm)，表明其网络结构更加致密。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析证实了双网络结构的成功形成，在1633cm^-1和1440cm^-1处出现了海藻酸盐羧酸盐基团的特征峰。

3.2. Mechanical properties of hydrogel NGCs

力学性能测试表明，DN水凝胶表现出优异的机械特性：存储模量(35.5±3.0kPa)比单网络GelMA水凝胶高1.5倍；极限拉伸强度(173±62kPa)和弹性模量(215±48kPa)均显著优于单网络水凝胶。特别值得注意的是，DN水凝胶导管表现出卓越的抗扭结性能(临界弯曲角度61.9°)，优于商业化的胶原导管(如NeuraGen?约55°和Neuroflex?约60°)。此外，DN水凝胶在100次压缩循环后仍保持机械完整性，缝合保留力(7.5±1kgf)比单网络水凝胶高1.67倍。

3.3. Regenerative potential of the encapsulated ucMSCs in vitro

细胞实验证实，封装在DN水凝胶中的ucMSCs保持高细胞活性(>80%)且分布均匀。与无细胞导管共培养的背根神经节(DRG)表现出更长的神经突生长(381±106μm)。条件培养基能够显著促进人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的管腔形成，增加分支点和闭合环数量。此外，ucMSCs条件培养基能够降低RAW264.7巨噬细胞中肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和白细胞介素-6(IL-6)等促炎细胞因子的表达。生长因子抗体阵列分析显示，ucMSCs分泌多种生物活性因子，其中粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)和肝细胞生长因子(HGF)分别比对照组高59倍和19倍。

3.4. In vivo efficacy tests of ucMSC-laden NGCs in a rat sciatic nerve defect model

体内实验结果表明，ucMSCs负载的DN水凝胶导管显著促进神经功能恢复。坐骨神经功能指数(SFI)分析显示，MSC组(-72±4)显著优于无细胞组(-85±1)和硅胶组(-90±1)。热撤退潜伏期测试表明MSC组(0.75±0.10s)的感觉运动功能恢复更好。肌电图(EMG)显示MSC组的峰峰值振幅(0.5±0.02mV)显著高于对照组。腓肠肌重量比分析表明MSC组(35.2±11.8%)肌肉萎缩程度较轻。

3.5. Histological analysis of the regenerated sciatic nerves

组织学分析进一步证实了ucMSCs负载导管的再生效果。免疫荧光染色显示MSC组的S-100(51.9±6.5%)和NF-200(64.1±5.0%)表达水平显著高于无细胞组和硅胶组。透射电镜显示MSC组的髓鞘厚度(0.43±0.04μm)和轴突直径(1.8±0.13μm)均优于对照组。G比率(轴突直径与神经纤维直径之比)分析表明MSC组(0.67±0.02)更接近正常值(0.6)。Masson三色染色显示MSC组肌肉纤维面积(1027±107μm²)更大，纤维胶原沉积(3.5±0.7%)更少。

该研究成功开发了负载ucMSCs的双网络水凝胶神经导管，解决了传统水凝胶导管机械性能不足的问题。DN水凝胶通过GelMA和海藻酸盐的协同作用，提供了优异的力学性能和生物相容性。封装的ucMSCs通过旁分泌作用发挥神经源性、血管生成和抗炎效应，分泌多种神经营养因子和生长因子。在大鼠坐骨神经缺损模型中，该导管显著促进了神经功能恢复、轴突再生和髓鞘形成，效果仅次于自体移植组。

这项研究的重要意义在于：首先，双网络水凝胶设计解决了水凝胶材料在神经导管应用中机械性能不足的关键问题；其次，直接封装MSCs的策略提高了细胞保留率和活性，增强了治疗效果；第三，该平台技术可扩展用于其他组织工程领域，如皮肤、肌腱和肌肉再生；最后，研究结果为临床治疗周围神经损伤提供了新的思路和方法，具有重要的转化医学价值。