《Journal of Materials Chemistry B》：Themed issue in honor of Shelly Sakiyama-Elbert's 50th birthday: celebrating 25 years of shaping biomaterials in neuroengineeringFree
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本主题专刊旨在庆祝Sakiyama-Elbert博士在神经工程领域塑造生物材料方面长达25年的影响力。研究人员的开创性工作推动了用于外周神经系统和脊髓神经修复的支架设计，尤其是在生长因子受控递送以及生物材料与干细胞疗法整合方面的创新。这些贡献帮助确立了创伤性损
本主题专刊旨在庆祝Sakiyama-Elbert博士在神经工程领域塑造生物材料方面长达25年的影响力。研究人员的开创性工作推动了用于外周神经系统和脊髓神经修复的支架设计，尤其是在生长因子受控递送以及生物材料与干细胞疗法整合方面的创新。这些贡献帮助确立了创伤性损伤后促进功能恢复的策略——具有前瞻性的引领作用，因为即使生物材料平台已日益复杂，融合了生物力学、生物电子学和免疫调节特性，这些核心方法中的许多仍具有基础性意义。本主题专刊聚焦于生物材料、神经工程和再生医学领域中针对关键未解挑战的前沿研究，正如Sakiyama-Elbert实验室前成员在同期配发的前瞻性评论中所讨论的那样。
脊髓损伤（SCI）后神经修复的一个核心挑战是重建引导轴突再生和重新建立功能性连接所需的物理与分子线索，同时控制炎症反应以促进再生。本专刊收录了通过生物材料设计和生物活性基质工程解决这些问题的开创性工作。Heilshorn研究组引入了含有定向微通道的3D打印GelMA–PEGDA水凝胶支架，该支架仅利用拓扑线索即可促进SCI后轴突定向生长和功能恢复。另一项由Leipzig实验室开展的研究使用甲基丙烯酰化透明质酸水凝胶探究了基质结合的Tenascin-C的作用，证明其在刚度调控环境中的呈递显著增强神经元分化，为神经修复策略提供了关键设计原则。Schmidt实验室贡献的一项研究描述了一种通过可注射脱细胞神经水凝胶递送IDO-Gal3的抗炎酶疗法，该疗法在临床前SCI模型中减少了神经炎症、保留了神经元并改善了运动协调性。
本专刊还扩展至脑损伤（包括创伤性脑损伤（TBI）和中风）的再生策略。Townsend研究组探索了基于水凝胶的创伤性脑损伤治疗方法，发现BMP-2的受控释放除其预期的骨再生用途外还提供了意想不到的神经保护益处。Segura实验室贡献的一项研究考察了缺血性中风后突触生成蛋白与血管生成生物材料的共递送，揭示thrombospondin-1在增强突触形成的同时调节胶质瘢痕形成。这些研究共同说明了结构引导与生化信号整合如何推动神经修复的多功能方法。
本专刊还重点展示了利用可调生物力学特性的工程化生物材料平台，以构建更具生理相关性的体外模型。Rizwan研究组引入了一种简化的明胶–二硫戊环水凝胶一锅法合成策略，该水凝胶具有独立可调的刚度和自愈合性能，可支持神经祖细胞的维持和分化。Stabenfeldt研究组开发了一种基于主客体相互作用的可注射透明质酸水凝胶，其力学性能与脑组织高度匹配，同时将炎症反应降至最低，为神经组织建模和再生应用建立了一个多功能平台。
本专刊中的多项研究展示了可调基底与干细胞结合如何实现健康和病变神经环境的日益精细的模型。Seidlits实验室证明了3D水凝胶中神经干细胞命运受到球体大小和接种密度的强烈影响，揭示了调控工程化微环境中分化结果的关键参数。Madl实验室确定了水凝胶特性——包括网络连通性、应力松弛和整合素结合——如何调节神经祖细胞在扩增过程中的干性维持，强调了动态力学线索在保持再生潜能方面的重要性。针对空间控制问题，Iyer实验室描述了一种模块化丝素–胶原支架，通过干细胞来源的感觉–运动神经元共培养重建了脊髓结构的多个方面。最后，Angelova实验室开发了一种应激诱导细胞模型，可重现氧化应激、线粒体功能障碍和炎症损伤状态，用于评估神经保护性纳米颗粒，为退行性疾病建模提供了一个稳健的平台。这些研究共同表明，精确工程化的生物材料和基于干细胞的系统正在推进机制发现和治疗筛选。
除了科学贡献外，Sakiyama-Elbert博士还是一位卓越的领导者和导师，其影响远远超出了实验室范围，塑造了该领域众多科学家的职业生涯和视野。编辑和许多投稿作者都亲身受益于她的指导、引领和友谊，这见证了她对该领域的持久影响。研究人员感谢所有投稿作者和审稿人对本主题专刊的贡献，以向Shelly Sakiyama-Elbert博士致敬。
**论文解读：神经工程生物材料25年发展主题专刊——从结构引导到多功能整合的神经修复策略**
**1. 研究背景与问题**
神经损伤，尤其是脊髓损伤（spinal cord injury, SCI）和创伤性脑损伤（traumatic brain injury, TBI），是再生医学领域长期面临的重大挑战。成年哺乳动物中枢神经系统（central nervous system, CNS）再生能力极为有限，损伤后往往形成抑制性微环境，导致轴突无法穿越损伤区、突触连接无法重建、功能永久丧失。传统的单纯细胞移植或单一因子给药策略难以奏效，主要存在三个核心问题：第一，缺乏能够引导轴突定向生长的物理结构支撑；第二，生长因子等生物活性分子在体内的半衰期短、难以在损伤部位维持有效浓度；第三，损伤后剧烈的炎症反应会进一步加剧组织损伤并抑制再生。因此，如何同时重建物理引导线索、提供持续的生化信号并调控免疫微环境，成为神经修复工程的关键难题。为此，Sakiyama-Elbert博士在过去25年间开创性地将生物材料支架、生长因子受控递送和干细胞疗法相结合，为外周神经和脊髓损伤修复奠定了重要基础。本主题专刊汇集了该领域的前沿研究，旨在纪念其贡献并展示当前解决上述关键未解问题的最新进展。
**2. 研究内容与主要技术方法**
本专刊收录的研究综合运用了多项关键工程技术。主要包括：三维（3D）生物打印技术，用于制备具有定向微通道的GelMA–PEGDA复合水凝胶支架；甲基丙烯酰化透明质酸（MeHA）水凝胶合成，用于模拟脊髓细胞外基质的刚度微环境；脱细胞神经基质水凝胶的制备，并负载免疫调节酶IDO-Gal3用于局部递送；可注射水凝胶体系（如基于主客体相互作用的透明质酸水凝胶和明胶–二硫戊环水凝胶）的合成与表征；纳米颗粒介导的蛋白共递送技术；人诱导多能干细胞（iPSC）来源的神经祖细胞三维培养；以及丝素–胶原复合支架的模块化组装。样本来源方面，涉及大鼠SCI挫伤模型、大鼠TBI模型、小鼠缺血性中风模型以及多种体外细胞培养模型。
**3. 研究结果**
**3.1 结构引导与生物活性基质工程促进脊髓损伤修复**
Heilshorn研究组通过3D打印制备含有定向微通道的GelMA–PEGDA水凝胶支架，仅凭拓扑结构即可引导轴突沿通道定向生长，并在SCI动物模型中促进了功能恢复。Leipzig实验室利用刚度可调的MeHA水凝胶结合基质结合的Tenascin-C，证明了在模拟脊髓微环境的刚度条件下，Tenascin-C的呈递能显著增强神经元的定向分化，为基质设计提供了重要参数。Schmidt实验室开发的可注射脱细胞神经水凝胶递送IDO-Gal3酶，在大鼠脊髓挫伤模型中有效减轻了神经炎症，保护了神经元，并改善了运动协调能力。
**3.2 脑损伤与中风后的多功能修复策略**
Townsend研究组针对TBI模型，发现水凝胶中受控释放的骨形态发生蛋白2（BMP-2）能够意外地提供神经保护作用，改善了运动功能，超出了其传统上促进骨再生的预期用途。Segura实验室在中风后通过血管生成生物材料支架（MAP支架）共递送突触生成蛋白和血管生成纳米颗粒，发现thrombospondin-1能够促进突触形成，同时调节胶质瘢痕的形成，从而改善神经重塑。
**3.3 可调力学性能的体外神经模型平台**
Rizwan研究组开发了一种一锅法合成明胶–二硫戊环水凝胶的新策略，该水凝胶的刚度和自愈合特性可以独立调节，并支持神经祖细胞的维持与分化，为神经组织工程提供了简便、可扩展的平台。Stabenfeldt研究组构建了基于主客体相互作用的可注射透明质酸水凝胶，其力学性能与脑组织高度匹配，同时诱导极低的炎症反应，可作为神经组织建模和再生的多功能基质。
**3.4 干细胞与三维培养环境调控神经命运**
Seidlits实验室系统研究了3D水凝胶中神经干细胞球体大小和接种密度对细胞命运的影响，发现这些物理参数显著决定分化方向，是工程化微环境设计的关键变量。Madl实验室揭示了水凝胶的网络连通性、应力松弛时间尺度和整合素结合能力共同调节神经祖细胞的干性维持与分化，强调了动态力学信号在扩增过程中的重要性。Iyer实验室开发了模块化丝素–胶原支架，利用人多能干细胞来源的感觉–运动神经元共培养，重建了脊髓背腹侧组织结构，为脊髓发育和疾病建模提供了新工具。Angelova实验室建立了氧化应激、线粒体功能障碍和炎症损伤的体外细胞模型，用于评估神经保护性纳米颗粒，为神经退行性疾病治疗候选材料的筛选提供了稳健平台。
**4. 讨论与结论**
讨论部分指出，尽管生物材料平台已从简单的支架发展为整合生物力学、生物电子学和免疫调节特性的复杂系统，但Sakiyama-Elbert实验室早期确立的核心设计原则——如生长因子受控递送、支架结构与细胞疗法的整合——至今仍是该领域的基础。当前研究正朝向多模态、多功能方向发展，即在同一材料系统中同时提供物理拓扑引导、生化信号递送和免疫微环境调控，并利用先进三维培养和干细胞技术构建更接近体内生理或病理状态的模型。这种整合策略有望加速从基础机制研究向临床转化的进程。
研究结论可总结为：本主题专刊的研究共同表明，精密设计的生物材料和干细胞系统在推进神经修复的机制发现和治疗筛选方面展现出巨大潜力。通过将结构引导与生化信号整合，并协同调控炎症反应，能够有效促进神经再生和功能恢复。未来神经工程生物材料的发展将继续沿着多学科交叉、多功能整合、以及个体化精准设计的方向前进，为解决脊髓损伤、脑损伤和中风等重大神经疾病提供切实可行的治疗策略。
