编辑推荐：
•研究人员开发出一种骨神经支架，旨在实现“结构+生理功能”的系统性修复。•该支架可通过多模式3D打印技术进行个性化定制，以适应不同临床需求。•生物电信号与有序排列的纤维共同促进神经生成及由神经驱动的骨形成过程。•在犬类模型中，该支架可有效恢复骨骼、神经以及骨神经之间的连接功能。引
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研究人员开发出一种骨神经支架，旨在实现“结构+生理功能”的系统性修复。
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该支架可通过多模式3D打印技术进行个性化定制，以适应不同临床需求。
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生物电信号与有序排列的纤维共同促进神经生成及由神经驱动的骨形成过程。
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在犬类模型中，该支架可有效恢复骨骼、神经以及骨神经之间的连接功能。
引言
生物电诱导是一种颇具前景的组织修复策略[1]。然而在骨内环境中，致密的骨组织以及髓腔内有限的流体流动，使得难以产生稳定的电刺激，也无法根据损伤程度调整电流强度。人体内存在大量包裹着神经的骨结构，这些神经通过与骨骼系统的紧密关联，在调节骨骼稳态和再生过程中发挥着关键作用[2]、[3]、[4]、[5]。但由于超声波或机械压力等物理刺激无法有效穿透骨壁，现有的生物电方法往往无法提供有效的刺激效果。这一局限阻碍了骨组织和神经组织的协同修复，可能导致持续性瘫痪、骨质流失以及骨骼功能受损[6]、[7]。
电池或许能为在骨内产生生物电提供解决方案[8]。但目前这类设备均为预设型，缺乏实时调节电流大小和极性的功能。组织损伤后的再生状态是不断变化的，如果电池能够对局部环境的变化做出反应并提供适应性刺激，其效果可能会优于传统的预设模式。在自然界中，像Shewanella oneidensis这样的产电细菌能够感知环境变化，并通过代谢活动将碳源转化为电子。这些电子被释放到细胞外，与周围环境发生相互作用，从而使细菌能够作为活的能源单元，优化自身的生存环境[9]、[10]。受这一现象启发，考虑到体液本身即可作为电解质溶液，本研究提出了一种以体液为能源的“活电池”。这种电池不仅能够在骨内实现自供电，还能实时感知损伤情况，并根据损伤严重程度自动调节电流输出[11]。
生物电信号主要能够激活细胞的代谢过程。基于这一原理，为了实现结构上的再生，仿生制造技术为精确复制特定结构特征以及将生物活性成分整合到功能性结构中提供了可能途径[12]、[13]。神经干由有序排列的纤维组成，其功能依赖于单向信号传递。因此，一种同时具备结构模拟和生物电定向特性的策略，有望有效促进神经修复[14]、[15]。在神经再生的基础上，构建类似刚性鞘状的骨组织是关键步骤。磷酸钙等成骨材料能够促进骨形成，还可被加工成三维支架，从而模拟天然骨骼的结构和成分[16]。现有研究表明，通过调控材料的拓扑结构可以影响成骨细胞的分化方向[17]，而多孔结构则有助于促进具有神经血管功能的骨再生[18]、[19]。因此，理想的仿生分段骨神经材料应同时包含模拟松质骨的鞘结构，以及内置的、带有自供电活电池的定向神经修复材料。不过目前的技术还难以同时满足这些要求。
3D打印技术在利用生物活性材料精确制造仿生结构方面具有显著优势，尤其是在结构设计以及原材料成分调控方面[20]、[21]。对于神经干修复而言，那些既能提供物理引导又能传递定向电信号的生物材料，可被加工成神经引导导管（NGCs）[22]。这类导管通常是通过挤出打印技术制备的。例如，通过熔融电写技术打印出的有序微纤维已被证实具有出色的神经定向引导能力[23]。由于通过熔融电写技术打印的纤维容易发生位移，因此人们会采用熔融沉积成型技术来制备能提供机械支撑的毫米级纤维。此外，活电池还可以被集成到NGC中，从而产生定向电场，促使电流沿着神经从近端流向远端，进而加速神经突的生长以及神经营养因子的合成[24]、[25]、[26]。在成骨材料中，双相磷酸钙因其出色的导骨性、成骨诱导性以及生物降解性而被广泛使用[18]。该材料可通过3D打印技术进行成型，其中立体光刻技术甚至可以实现微米级的精确度[27]。因此，将这些生物制造技术相结合，便能有效地满足构建仿生神经干嵌入型骨材料的各项要求。
受Shewanella oneidensis的启发，本研究开发出一种能够与体液发生反应的活电池，该电池可实现骨内的自供电，以及基于损伤情况的实时生物电诱导（见图1A）。结合3D打印技术，研究人员进一步制备出了一种由生物电驱动、具有定向引导功能的神经导管（OEF-AMF-NGC），用以促进神经再生。这种导管包含能够提供细胞级接触引导的有序微纤维、能够提供机械稳定性的毫米级支架，以及无需外部能量供应即可产生定向电场的活电池。该活电池以体液作为电解质，能够产生沿神经方向流动的电流（见图1B）。基于人体解剖结构，研究人员还进一步开发出了一种3D打印而成的、具有定向电场且含有有序微纤维与双相磷酸钙的仿生支架（OEF-AMF@CP），用于实现骨神经的同步修复（见图1C）。这种骨支架是由双相磷酸钙打印而成，其多孔结构有助于物质交换（见图1D）。为验证其修复效果，研究人员在坐骨神经切断模型中应用了这种OEF-AMF-NGC，结果发现神经丝蛋白的表达量增加了13.33倍，髓鞘厚度增加了9.90倍，其修复效果与自体移植相当。此外，本研究还构建了比格犬下颌段神经干嵌入型骨组织的临床前器官级模型，成功实现了整体再生。在该模型中，OEF-AMF@CP所在区域的骨矿物质密度相比对照组提高了57%（见图1E）。总体而言，本研究成功开发出一种具有损伤感知功能且能够实时调节输出信号的仿生骨内电池。通过将该电池与3D打印技术相结合，研究人员最终制成了能够解决骨神经组织工程领域诸多难题的集成型骨神经支架。
各部分要点
原材料
PCL颗粒（分子量Mn=80000）、透明质酸（呈针状，平均粒径为60纳米）、钛、银以及铝均购自Merck KGaA公司。而β-TCP（平均粒径为0.5至5微米）则购自南京君卓生物技术有限公司。
OEF-AMF@CP的制备
研究人员使用一台挤出打印机（BP6601，来自中国Engineering for Life公司）来打印神经引导导管。首先将PCL加入连接到泵体和打印喷嘴（喷嘴直径为250微米）的不锈钢注射器中，随后将材料和喷嘴一同加热到110摄氏度，直至
OEF-AMF-NGC的制备与特性分析
理想的神经引导导管应同时具备结构引导功能和功能激活功能，这样才能实现有效的组织重建。聚己内酯具有良好的生物相容性，且已获得美国食品药品监督管理局的认可。它的熔点接近60摄氏度，非常适合进行热处理。为了实现定向引导，本研究采用了熔融电写技术来打印出直径与神经细胞大小相近的规则排列的PCL微纤维。此外，为了解决
讨论
生物电在组织再生领域具有巨大的应用潜力[1]。在设计再生策略时，需要考虑人体复杂的层次化结构以及各组织之间广泛的相互作用——尤其是骨骼、血管和神经之间的相互作用，这要求我们采用系统层面的思维方式[30]、[31]。以往的研究已经发现了骨骼与其他器官之间的关联。例如，在骨肌萎缩症研究中就观察到了骨骼与肌肉之间的相互作用[32]，而肠道微生物群也能够影响
结论
总而言之，为在流动性极低的致密骨内环境中实现能够响应损伤情况的生物电刺激，本研究开发出一种受Shewanella oneidensis启发的活电池，该电池能够在骨组织中产生自适应的、自供电的电信号。这款电池与多模式3D打印技术相结合，被用来制造出一种复合支架OEF-AMF@CP，用于系统性修复那些被神经干包裹的骨缺损。该支架内部的OEF-AMF-NGC结构则兼具引导功能
作者贡献说明
陈静怡：负责原文撰写、可视化处理、结果验证、实验分析以及正式文本整理工作。朱彤：同样参与原文撰写、可视化处理、结果验证、实验分析以及正式文本整理工作。张欣：负责原文撰写以及实验分析工作。裴希波：负责实验研究以及课题资金筹集工作。刘彦华：同样负责实验研究以及课题资金筹集工作。王健：负责原文的审阅与编辑工作，同时还承担课题资金筹集任务。万乾兵：也负责原文的审阅与编辑工作，同时参与课题资金筹集工作。何勇：负责原文的审阅与编辑工作，
利益冲突声明
所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了以下机构的支持：中国国家自然科学基金（项目编号为52325504、82371012、82471031）、浙江省重点研发计划（项目编号为2024SSYS0027）、四川大学提供的研究经费（项目编号为2024SCUQTTX040）、四川大学华西口腔医院提供的研究经费（项目编号为RCDWJS2024-6、RD-03-202310）、四川省医学会的医学研究项目资助（项目编号为S2024067），以及浙江省国家重点实验室开放基金项目的支持。
Jingyi Chen|Tong Zhu|Xin Zhang|Xibo Pei|Yanhua Liu|Jian Wang|Qianbing Wan|Yong He|Zhou Zhu
