《Materials Today Bio》：Multiscale Biomimetic Design for Peripheral Nerve Repair: Beyond Passive Bridging
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周围神经损伤（peripheral nerve injury，PNI）仍然是一个严峻的临床挑战，尤其是在长节段和复杂损伤中，手术干预常导致次优的功能恢复。当前的神经引导导管（nerve guidance conduits，NGCs）由于其被动桥接性质，无法重现
周围神经损伤（peripheral nerve injury，PNI）仍然是一个严峻的临床挑战，尤其是在长节段和复杂损伤中，手术干预常导致次优的功能恢复。当前的神经引导导管（nerve guidance conduits，NGCs）由于其被动桥接性质，无法重现天然神经的分层结构、生物活性微环境或时间协调的修复程序，因此提供的优势有限。基于文献计量学和荟萃分析证据，本综述将仿生周围神经修复重新定义为从被动桥接到生物学指导、自适应神经接口的有序过渡。研究人员并非仅仅列举结构、功能、时空和跨物种仿生，每个轴都被赋予了特定的功能任务。结构仿生施加方向性和分层引导，功能仿生重建再生微环境，时空仿生与阶段依赖性修复需求同步，跨物种仿生扩展了可转移设计原则的储备。系统审查了这些信号在复合导管内如何汇聚、竞争或协同，以及优先配置其可制造性、灭菌、法规可行性和长节段验证的必要性。这一综合凝练了下一代NGCs的设计逻辑，引导其从静态支架向自适应、可制造且临床可转化的再生接口演变。
论文主体部分内容总结如下：
**3. 仿生神经组织工程中的制造技术**
仿生神经组织工程依赖于精密制造技术，这些技术通过从纳米级细胞外基质（ECM）拓扑结构到宏观多通道结构的跨尺度精确调控，系统地重现天然神经微环境，从而将被动桥接的NGCs转变为主动适应的再生接口。传统方法（如溶剂浇铸、模塑或浸涂）可生成基本管状结构，但无法满足纳米级各向异性拓扑、浓度或刚度梯度、或时空动态响应的要求。近年来，先进平台如静电纺丝、3D/4D生物打印、冷冻干燥/冷冻铸造、微流控纺丝、自组装与水凝胶交联、以及脱细胞化已成为核心模式。这些平台在宏观、微观和分子尺度上协同构建仿生微环境，为多维仿生策略的集成部署奠定了坚实的工程基础。
静电纺丝利用高压电场将聚合物溶液拉成纳米至微米级纤维，可精确控制纤维取向、表面沟槽和各向异性ECM拓扑结构，常用于制备用于管腔填充或梯度递送层的定向纳米纤维支架，有效促进施万细胞（SCs）定向迁移和轴突引导。3D/4D生物打印利用逐层沉积（如挤出、立体光刻（SLA）、熔融沉积建模（FDM）或熔融电写）构建多通道结构、梯度微结构或形状记忆响应支架，实现个性化分层设计、精确细胞或因子封装以及时空动态变形，特别适用于长节段神经缺损的复杂仿生构建。冷冻干燥/冷冻铸造通过精确控制冰晶成核和生长，产生各向异性多孔网络，形成纵向排列的微通道或互连3D孔结构，同时保留天然ECM生物活性，常与水凝胶或脱细胞基质结合以增强营养扩散和细胞浸润。微流控纺丝和模塑可实现浓度梯度微管和多层复合材料的连续制造，精确复制多通道或表面微图案，实现化学或物理梯度仿生。自组装与水凝胶交联利用肽、壳聚糖或手性分子自发组织成3D多孔水凝胶，通过光或酶交联实现动态刚度匹配和持续因子释放，具有条件温和、高生物相容性和可注射性等优点。脱细胞化选择性去除细胞成分，同时保留天然ECM成分（如层粘连蛋白和IV型胶原），随后通过与其他方法集成重构成仿生导管，最大化生物活性。
这些制造方式并非孤立，而是高度协同的。静电纺丝建立纳米级拓扑基础，3D/4D生物打印赋予宏观到微观的分层组织和动态响应能力，冷冻干燥和微流控优化孔隙率和梯度，自组装提供分子适应性，脱细胞化确保生物真实性。从转化角度看，制造技术不仅需评估仿生逼真度，还需考虑可扩展性和灭菌兼容性。静电纺丝相对容易通过多针、无针或自由表面结构实现规模化，但临床可重复制造需严格管控纤维直径、取向、残留溶剂和载荷均匀性。3D和4D生物打印具有更高的患者特异性和多材料空间编排能力，但其临床转化取决于标准化生物墨水流变学、校准仪器、在线质量监控和良好生产规范（GMP）流程。灭菌是一个同样严峻的瓶颈，传统方式（湿热、干热、电离辐射、环氧乙烷、汽化过氧化氢等）对可降解聚合物、静电纺纳米纤维、脱细胞基质和因子负载制剂的影响不同。对于结合3D生物打印与脱细胞ECM水凝胶、生长因子、活细胞、外泌体或电活性成分的多模态NGCs，终端灭菌可能损害ECM超微结构、机械能力、降解动力学、导电性以及配体或营养载荷的分子生物活性。因此，转化设计应采纳“灭菌导向设计”框架：结构韧性组件可在可行时预组装前灭菌，而不稳定生物组分最好在后期无菌加入，随后严格验证无菌保证与结构完整性、机械性能、释放曲线、生物活性和电生理功能的同时保留。
**4. 多维仿生策略：结构、功能、时空和跨物种仿生**
成功的周围神经再生（PNR）依赖于指导性信号的分层汇聚，包括限制轴突错误导向的结构通路、增强SCs和免疫血管级联反应的生物活性微环境、与修复环境演变同步的时间分辨材料行为，以及可从不同生物系统转移的进化保守设计范式。临床批准的中空NGCs主要局限于被动结构屏蔽和基本空间分隔，无法满足长节段修复所需的矢量引导、微环境恢复和阶段匹配调节的同步要求。多维仿生框架因此需在长度尺度上进行功能分工：结构仿生设计各向异性轨道以引导轴突延伸和SC迁移；功能仿生通过提供ECM成分、细胞信号、神经营养梯度、电活性界面和机械顺应性来重建再生微环境；时空仿生通过时间编排释放、降解、动态驱动和支架变形以匹配修复的连续阶段；跨物种仿生则扩大可制造、可重复和微创伤的结构或界面解决方案的库。这些仿生模式的有意组合必须校准以实现明确的再生终点，包括减少轴突错误导向、增强血管化、维持修复SC表型、免疫调节平衡和优越的髓鞘再生。
**4.1. 从宏观到纳米尺度的分层结构仿生**
结构仿生集中于重现天然神经组织的分层和各向异性物理结构，提供指导细胞行为、引导轴突生长的关键拓扑信号。在宏观层面，天然外周神经由三层结缔组织（外膜、束膜、内膜）分层包裹和分隔。常规NGCs基本重现了外膜的支持和保护功能，但简单中空导管允许再生轴突分散，导致导向错误。引入多通道结构模拟束膜可有效限制轴突分散，但孔径需在合理范围内（约85-500μm）。近期研究通过3D打印多通道导管（通道200-300μm）和可渗透壁孔，增强了感觉和运动恢复。进一步集成四通道水凝胶导管（通道直径约400μm）与定向冷冻铸造产生的纵向蜂窝状微结构，结合轴向导电性和神经生长因子（NGF）梯度，实现了优越的髓鞘再生、血管化和功能恢复。在微观尺度，细胞-NGC最直接的相互作用源于表面拓扑结构。脱细胞天然组织或合成聚合物可模拟ECM拓扑。微流控纺丝制备的浓度梯度脱细胞猪坐骨神经基质微管，重现了纤维网状ECM组织，梯度配置优于均匀ECM呈现，引导神经突向高浓度侧生长。壳聚糖导管结合多功能明胶微胶囊生成ECM样互连多孔网络，持续递送胰岛素样生长因子-1（IGF-1），促进SC存活、增殖、迁移和髓鞘再生，同时促进早期巨噬细胞募集和M2极化。定向纳米纤维可模拟天然ECM各向异性结构，通过接触引导促进SC单轴延伸和定向轴突生长。在分子尺度，手性信号调节蛋白质折叠、受体结合、整合素空间分布和细胞骨架极化。L-苯丙氨酸衍生物水凝胶通过立体选择性与IV型胶原相互作用，增强其与整合素α1β1的转导，维持修复SC干性，促进双极延伸和神经突生长，实现与自体移植相当的功能恢复。氧化石墨烯掺杂的D-苯丙氨酸水凝胶通过导电耦合和手性效应，促进巨噬细胞M2极化、SC迁移、血管对齐和髓鞘形成。
**4.2. 跨维度再生微环境的功能仿生**
功能仿生策略旨在通过整合生物和物理化学信号，重建周围神经的功能性再生微环境。ECM是再生微环境的核心功能调节器，通过粘附基序、时空神经营养释放和受体介导信号，动态调节SC行为、轴突延伸、髓鞘再生和组织重塑。功能ECM仿生方向包括：引入天然ECM衍生成分（如层粘连蛋白、纤维连接蛋白、胶原、糖胺聚糖（GAGs）、基质金属蛋白酶（MMPs）和神经营养因子）以保留生物活性；或工程化合成或改性生物材料以模拟ECM相关信号功能。脱细胞ECM（dECM）保留天然成分和结构，但面临平衡最大保留与最大去除细胞材料的矛盾。在细胞成分仿生方面，植入支持性细胞群体（如SCs）可促进轴突再生和髓鞘形成，但移植SCs存活时间有限。干细胞源性Schwann样细胞（如脂肪干细胞、表皮神经嵴干细胞、诱导多能干细胞（iPSCs）等）成为高效替代方案，可克服增殖限制并保留再生功能。共加载多种细胞类型可通过细胞间协同重现再生微环境。外泌体作为细胞源性纳米信号模块，具有低免疫原性和可工程化特点，可通过调节SC增殖、迁移、修复表型激活、营养因子分泌、血管生成和炎症调节来促进PNR。物理特性仿生方面，电生理仿生通过外源性电刺激或自供电系统（如压电材料、超声响应声压电导管）重建生物电微环境，促进轴突延伸和髓鞘再生。机械仿生通过刚度匹配天然神经微环境（约6-50 kPa），调节SC表型：软基质促进修复样去分化，硬基质促进再分化和髓鞘形成，中间刚度支持延伸和增殖。刚度梯度可引导SC趋硬性迁移。
**4.3. 阶段特异性修复的PNR时空仿生**
时空仿生将时间可编程性集成到支架结构中，通过精确同步于成人PNR的不同病理生理阶段，并重新激活高效的胚胎发育程序，协调整个再生级联反应。在胚胎程序重激活方面，组织工程化神经移植物（TENG）利用牵拉生长产生的长轴突束，模拟先驱轴突功能，引导宿主轴突延伸。胶原NGC的发育启发多孔壁微结构可诱导外周神经形态发生，转录组分析揭示基因的精确顺序调控。自演进组织工程支架通过压电PLLA纤维膜在超声激发下产生模拟胚胎发育内源性生物电环境的电场，促进间充质干细胞（MSCs）分化和旁分泌活动。在阶段特异性同步方面，PNR涉及近端和远端残端的协调转变：早期需SC激活、免疫调节和碎片清除；中期需重现引导线索；后期需促进髓鞘信号。刺激响应支架可通过形状记忆聚合物（SMP）实现4D导向动态支架，从早期宽敞微槽向晚期狭窄微槽转变。4D打印MXene/PLATMC导管在体温下自卷曲，实现早期适应性包裹，结合定向微通道和导电性。时间编程分子递送通过NGF和GDNF的剂量依赖、协同和时间效应，实现双相释放，促进神经突生长和SC活性。电导定向聚氨酯导管偏置早期巨噬细胞M2极化，随后促进SC迁移和髓鞘形成。降解动力学是长节段修复的关键时间调节杠杆，需平衡过早吸收与过度持久，“慢降解外壳+快降解内核”架构可提供支持。
**4.4. 利用进化蓝图进行跨物种仿生**
跨物种仿生超越哺乳动物组织限制，提供丰富的结构、功能多样性。设计范式包括：微纳尺度拓扑接触引导（如翅微沟槽）；各向异性分层结构（如红木树干、蕨类茎脉）；生物功能特性集成（如压电性、导电性）；动态自适应生物界面（如含羞草卷曲、松果鳞片变形）。例如，Morpho menelaus翅微沟槽引导SC定向排列；红木启发多通道纤维支架结合热响应外鞘，促进SC浸润和迁移；蕨类启发电活性纤维素水凝胶导管保留纵向微通道并具有导电性，实现与自体移植相当的功能恢复。竹启发复合导管结合定向中空双层结构和纤维素模拟压电性，增强SC神经营养活性、轴突延伸和髓鞘形成。海参启发微针NGC（MNGC）通过外部微针电刺激和内部纵向微通道，减少肌肉萎缩并促进髓鞘再生。电鳗启发自供电离子水凝胶电池通过离子梯度产生内源性电刺激。含羞草启发自卷曲生物粘附胶带水凝胶，通过水分驱动变形和物理-共价粘附，延长IGF-1滞留，减轻二次损伤和炎症。松果启发水响应自卷曲粘附导管，实现无缝合固定。
**4.5. 多维仿生协同与拮抗**
多维仿生信号并非简单叠加，可产生协同、分层主导或拮抗效应。协同通常发生在分离信号沿共同再生轴排列并赋予互补功能时，如纵向沟槽结合NGF梯度。拮抗则可能发生在拓扑与分子梯度空间不一致时，接触引导可能压倒扩散信号。过度的神经营养因子释放可导致异常出芽，过度紧凑的多通道结构或高导电填料负载可能损害孔隙连通性、营养扩散和机械顺应性。多维仿生设计应遵循方向保真度、信号强度匹配、时间优先和有意简化的原则。
**5. 从仿生设计到临床转化与未来方向**
仿生神经组织工程已从被动管状桥接向整合指导、调节和反馈能力的生物智能界面演进。其演进轨迹涵盖四个相互连接、部分重叠的阶段：结构仿生（1990年代起）、功能仿生（2000-2010年广泛采用）、时空仿生（2010-2020年）和新兴的智能或交互仿生阶段。当前临床转化仍以NGCs为中心，结构仿生是成熟度最高的转化层级，已有多种FDA/NMPA批准的导管（如NeuraGen?、AxoGuard?）等。功能仿生设计（如Avance?神经移植物）已进入临床实践。三维仿生ECM-NGCs在长节段动物模型中实现与自体移植相当的电生理和运动恢复，但多数多模态设计尚未超越临床前研究。转化面临的主要瓶颈包括：制造可扩展性和再现性、灭菌兼容性、长节段大动物验证、监管路径选择等。提出了“最小有效仿生组合”概念，强调根据再生效果和转化可行性权衡复杂性。
**6. 下一代仿生神经接口的瓶颈与未来方向**
当前挑战包括：对多模态整合的机制理解有限、生物数据碎片化难以用于AI辅助设计、外周神经组织类器官成熟度低等。未来方向包括：多模态仿生与先进制造技术（如原位生物打印、多材料生物打印、4D生物打印）的应用；AI在仿生神经组织工程中的角色，包括实时再生阶段识别、逆设计优化材料、以及实现闭环自适应再生接口；器官样体和组织样体在PNR中的应用，组织样体作为工程化再生微环境，需整合血管化策略。未来应推动从分类学列举向机制整合和转化优先级的转变。
**7. 结论**
本综述的贡献不在于增加仿生类别，而在于将分散的仿生信号整合到一个基于明确功能分配、分层主导和转化约束的设计框架中。PNR的失败不是单一材料缺陷，而是长距离轴突引导、修复SC表型维持、免疫-血管同步、髓鞘保真度和靶向再神经支配之间协调不足。下一代NGCs应从无差别模仿转向经济地重建决定性再生逻辑。结构线索必须强制执行低错误导向的长距离通道；功能线索应恢复必要的细胞和ECM相关信号；时空线索必须将载荷释放、支架降解和刺激与不同修复时期进行时间耦合；跨物种线索应提供可工程化的设计基序而非表面形态替代物。未来研究需解析多模态信号间的协同与拮抗，建立预测性大动物和临床评估框架，并将先进制造、AI和组织样体工程提升为符合可扩展制造、终端灭菌、法规合规和经济可行性的临床可转化产品。
