仿生水凝胶颈脊髓替代物在不同加载速率下横向压缩力学响应的开发与表征

《Spinal Cord》：Development of a biomimetic hydrogel cervical spinal cord surrogate for transverse compression across loading rates

　　

摘要专业翻译 研究设计：实验性实验室研究；全因子水凝胶配方设计，并与已发表的脊髓组织力学数据进行机械性能基准对比。 研究目的：开发并表征聚丙烯酰胺-海藻酸钠（PAAm-alginate）双网络水凝胶作为颈脊髓组织横向压缩响应的替代物，并确定控制替代物刚度的配方变量。 研究地点：澳大利亚阿德莱德大学生物力学实验室。 研究方法：27种配方组合了三种海藻酸钠浓度（4.7%、7.8%、10.3% w/v）、三种离子交联剂（CaCl?、FeCl?、AlCl?）和三种浸泡时长（1、2、3小时）。共313个椭圆截面样本在四种位移速率（约0.01–140 s?1）下进行横向压缩测试。通过弧长重参数化生成特征曲线，采用统计参数映射进行比较，并与已发表的人源和猪源颈脊髓数据进行基准对比。 研究结果：所有配方均表现出J形、速率依赖的黏弹性响应。加载速率产生的差异最为一致可分辨，其次为交联离子、海藻酸钠浓度和浸泡时长。在配方变量中，交联离子效应最大；海藻酸钠浓度在7.8%以上增益递减；浸泡时长效应温和且依赖交联剂类型。CaCl?配方在每个速率下均与基准数据最为接近；在约50 s?1时，CaCl?/10.3%/合并2小时+3小时组在切线模量（约1180 kPa）和基准失效应变处应力（约490 kPa）方面与猪脊髓数据匹配。 研究结论：PAAm-alginate双网络水凝胶能够再现颈脊髓组织非线性的、速率依赖的横向压缩行为，并可调谐至已发表的基准数据，尤其在动态加载条件下最为接近。该材料为离体损伤生物力学和外科模拟提供了可仪器化的脊髓替代物基础。 资助来源：阿德莱德大学医学院发展基金。

论文解读

一、研究背景与意义

创伤性脊髓损伤每年影响约90万人，其中颈段区域占大多数。神经损伤主要源于椎骨骨折、椎间盘突出或骨块后移入椎管过程中对神经组织的直接机械性损伤。要理解损伤的起始和传播条件，不仅需要准确表征周围脊柱结构，更需要准确表征脊髓本身。尸体实验仍是量化颈椎负荷传递、椎间运动学和失稳结构阈值的主要手段，但现有的可仪器化脊髓替代物在生物逼真度方面存在局限，通常仅能代表单一应变速率或小应变范围内的力学行为。这一空白同样制约着外科模拟领域——当代颈椎手术模拟器虽能再现手术解剖并评估操作表现，但无法报告手术操作对脊髓本身施加的机械暴露，学员反馈只能基于骨切除量和器械操作等间接指标，而非操作是否实际压缩或移位了脊髓。因此，开发一种可仪器化、力学逼真的脊髓替代物，将同时服务于创伤生物力学和外科训练两大应用场景。

脊髓组织在拉伸和横向压缩加载下均表现出非线性、黏弹性的响应特征，具有低刚度趾区随后渐进硬化至失效的力学行为。切线模量和给定应变下的应力均随加载速度增加而升高，这种速率敏感性具有临床相关性——爆裂骨折中骨块后移速度可达4.5 m/s，产生的应变速率远高于多数准静态测试方案。然而，已发表的脊髓组织数据集高度异质，模量随脊髓区域和年龄变化，不同物种、制备方式、水合状态、温度、尸检间隔、加载模式和所报告的力学参数均导致数值差异。替代物设计因此需要在多个数据集之间进行综合解读，而非复制任何单一数据集。

既往物理脊髓替代物多采用硅酮弹性体制备，其尺寸稳定、易于模塑且便于仪器化，但多数固态硅酮弹性体比神经组织显著更硬，且呈现近似线性的应力-应变响应，而非神经组织特有的凹向上应变硬化行为。硅酮和聚氨酯泡沫虽在部分加载速率下实现了曲线形状和量级的接近，但这些材料不含水，且应变和速率依赖性硬化弱于颈脊髓组织。水凝胶因其高含水量、软组织样可变形性和可调谐力学性能，比弹性体更接近神经组织。双网络结构，特别是海藻酸钠-聚丙烯酰胺体系，兼具大应变变形能力和增强的韧性，可在保持水合和柔顺性的同时承受操作和重复压缩。离子交联海藻酸钠网络配合共价聚丙烯酰胺网络提供结构支撑，可通过海藻酸钠浓度、交联离子种类和 conditioning 方案调谐刚度。水凝胶作为药物递送基质和细胞支架用于脊髓修复已有广泛研究，但其作为力学逼真的物理替代物仍相对发展不足，尤其在需要直接测量脊髓变形的应用场景中。

本研究旨在开发和表征能够跨创伤及手术相关应变速率再现颈脊髓横向压缩响应的PAAm-alginate双网络水凝胶，并确定配方和浸泡 conditioning 如何影响该响应。研究人员假设交联离子价态对替代物刚度的影响大于海藻酸钠浓度或浸泡时长，且所有配方均表现出与脊髓组织类似的J形、速率依赖黏弹性行为。

二、主要技术方法

本研究采用全因子实验设计，共制备27种配方组合。样本制备方面，研究人员以恒定9.1% w/v丙烯酰胺浓度配合三种海藻酸钠浓度（4.7%、7.8%、10.3% w/v），通过自由基聚合形成共价聚丙烯酰胺网络后，以0.1 M CaCl?、FeCl?或AlCl?溶液分别浸泡1、2、3小时完成离子交联，随后转移至磷酸盐缓冲液（PBS）中 conditioning 24小时。样本被铸造成模拟人颈脊髓横截面尺寸的椭圆截面模具（横径13 mm，前后径7.2 mm，长100 mm），测试前横切为20 mm段。力学测试方面，采用两种平台覆盖生理至创伤相关应变速率：Instron 5543材料试验机用于准静态测试（0.1 mm/s和3.6 mm/s，对应约0.01 s?1和0.5 s?1），自制落锤塔用于动态测试（360 mm/s和1000 mm/s，对应约50 s?1和140 s?1），压头为5 mm直径圆柱平端，加载条件与既往人源和猪源脊髓横向压缩研究匹配。数据处理方面，采用弧长重参数化和特征响应生成方法（ARCGen）生成各组特征均值曲线及±1标准差走廊，通过统计参数映射（SPM）框架下的?idák校正Hotelling's T2检验评估各配方参数的效应。基准对比方面，以Karimi等人的人颈脊髓数据作为0.01 s?1参考，以Fradet等人的猪脊髓数据作为0.5 s?1和50 s?1参考，通过均方残差（MSR）和切线模量评估匹配程度。

三、研究结果

配方参数对力学响应的影响排序：通过统计参数映射对各配方参数进行两两比较，按达到统计显著差异的比例排序，加载速率对力学响应的影响最为一致，其次为交联离子、海藻酸钠浓度和浸泡时长。在配方变量中，交联离子的效应最为显著，同时影响曲线形状和量级；海藻酸钠浓度产生增益递减效应；浸泡时长效应温和。

交联离子的影响：三价离子（Al3?、Fe3?）产生最硬的配方，二价CaCl?显著更柔顺，响应在高应变区逐渐分化。FeCl?的趾区比AlCl?更硬，两曲线在约0.25应变处分叉，约0.8应变处交叉，在高应变线性区收敛。三价与二价响应在大部分应变范围内可区分，而两种三价离子仅在约0.25至0.8应变范围内存在差异。

海藻酸钠浓度的影响：刚度随海藻酸钠浓度增加而升高，但存在递减效应——从4.7%增至7.8%的增量一致大于从7.8%增至10.3%的增量，尤其在较低应变速率下更为明显。浓度效应在合并2小时+3小时组的36个条件中有30个可检测，在1小时组的33个条件中有13个可检测，多数例外出现在7.8%与10.3%之间。

浸泡时长的影响：浸泡时长效应温和且依赖交联剂类型。AlCl?配方对浸泡时间基本不敏感，12个条件中仅1个在1小时与合并组之间存在差异；CaCl?配方在11个条件中有7个在1小时之后继续硬化，FeCl?配方在12个条件中有9个如此。所有配方中均未检测到2小时与3小时组之间的差异，表明离子网络主要在前2小时内成熟。

加载速率的影响：所有配方均随位移速率增加而硬化，应力-应变曲线在每个连续加载速率下上移。这一效应在合并组的54个两两速率比较中全部可分辨，在1小时组的45个比较中有31个可分辨。峰值应力随速率递增，但0.5 s?1至50 s?1之间出现短暂下降，与测试装置切换吻合，属于装置伪影而非材料特性。

基准对比结果：所有配方均再现了生物组织的J形特征曲线。CaCl?配方在每个基准速率下均与基准数据最为接近，三价配方显著硬于组织基准。各速率下最接近的配方为：0.01 s?1时CaCl?/4.7%/1小时，0.5 s?1时CaCl?/7.8%/1小时，50 s?1时CaCl?/10.3%/合并2小时+3小时。在50 s?1下，最接近配方在整个比较应变范围内跟踪基准曲线并落在已发表的±1标准差走廊内，切线模量约1180 kPa，基准失效应变0.67处应力约490 kPa。曲线形状匹配度随加载速率提高而改善。

四、讨论与结论

讨论部分指出，交联离子价态的主导效应与各阳离子的配位化学一致：Al3?和Fe3?与海藻酸钠骨架的M-和G-嵌段残基均发生相互作用，形成比仅通过蛋盒机制结合G-嵌段的Ca2?更致密的网络，因此三价配方的应力约为CaCl?配方的五倍。海藻酸钠浓度在7.8%以上增益递减的可能解释是固定的0.1 M交联剂浓度导致离子与聚合物结合位点的摩尔比随聚合物含量升高而下降，但这仍属解释而非已证实的机制。浸泡时长的交联剂依赖性效应表明，AlCl?的快速稳定化与早期结合平衡或扩散屏障一致，而CaCl?和FeCl?网络的渐进成熟提示基质内离子的渐进扩散和重组。速率依赖性硬化与含水聚合物网络中的流固相互作用一致，快速加载限制流体重新分布和网络松弛。

研究结论为：PAAm-alginate双网络水凝胶提供了具有非线性、速率依赖力学行为的仿生脊髓替代物可调谐平台，在所测试的离子交联剂中，CaCl?交联配方与天然颈脊髓组织对应最为接近。配方空间应扩展至更低海藻酸钠浓度和Ba2?、Sr2?、Zn2?等替代二价离子，建立配方与力学响应之间的预测模型可降低替代物设计的实验负担。直接的转化步骤是将解剖学真实几何与嵌入式传感相结合，生成能够在模拟爆裂骨折、减压和器械操作过程中直接报告脊髓变形的替代物，从而为离体损伤生物力学实验提供脊髓机械暴露的直接测量手段，并为颈椎手术模拟器提供学员在高风险操作中脊髓加载的客观反馈。建立交联密度、离子配位几何和网络架构与宏观力学行为之间严谨的结构-功能关系，对于优化替代物性能以及未来向植入式应用发展所需的生物相容性和监管评估至关重要。