3D同軸打印還原氧化石墨烯氣凝膠基生物相容性纖維用于周圍神經再生

來源：EFL生物3D打印與生物制造

周圍神經（PN）缺損影響約3%的創(chuàng)傷患者，年新增臨床病例約9萬例，長缺損常需臨床干預，雖自體神經移植（ANT）是“金標準”，但存在二次創(chuàng)傷、炎癥等副作用，效果受限。人工神經引導纖維（NGFs）雖有潛力，但現(xiàn)有多孔纖維存在孔徑大（>100 μm）、孔隙率低（<55%）、結構無序等問題，難以滿足神經再生所需的20-70 μm孔徑和>90%孔隙率要求，且機械性能與生物相容性不足。

來自蘭州大學張強強、王記增團隊聯(lián)合中國人民解放軍總醫(yī)院唐佩福院士團隊合作，開發(fā)了一種基于三維同軸打印技術的還原氧化石墨烯（rGO）氣凝膠基生物相容性纖維。團隊通過同軸打印粘彈性GO墨水和海藻酸鈉（SA）凝膠，結合聚己內酯（PCL）和褪黑素（Mel）原位沉積，構建了具有軸向空心通道和徑向分級多孔結構的rGO/PCL/Mel雜化氣凝膠纖維。該纖維孔隙率高達98.5%±0.24%，彈性模量7.06-26.58 MPa，兼具導電性、生物相容性和機械韌性，能促進神經細胞黏附、增殖和有序遷移。在15 mm長神經缺損的SD大鼠模型中，其神經修復和肌肉功能恢復效果與自體神經移植相當。相關工作以“3D Coaxially Printing rGO Aerogel-Based Biocompatible Fiber for Peripheral Nerve Regeneration”為題發(fā)表在《Advanced Fiber Materials》上。張靖翔（蘭州大學）、劉鐘陽（解放軍總醫(yī)院）、張陽（解放軍總醫(yī)院）、王靜（上海長征醫(yī)院）為本文共同第一作者，蘭州大學張強強教授、王記增教授和解放軍總醫(yī)院唐佩福院士為論文共同通信作者。

研究內容
1. 纖維制備流程與再生機制示意圖，通過三維同軸打印技術結合原位沉積工藝的研究方法，研究了rGO/PCL/Mel多孔空心氣凝膠纖維的制備過程及周圍神經缺損修復機制。結果表明，該纖維通過GO墨水與SA凝膠的同軸打印形成空心結構，經水熱處理和PCL/Mel修飾后，具備分級多孔網(wǎng)絡，可促進神經軸突定向生長和營養(yǎng)物質運輸。      

圖1. 三維同軸打印rGO/PCL/Mel多孔空心氣凝膠纖維的制備及神經再生機制示意圖。   

2. 流變性能與打印能力對比評估，通過動態(tài)流變測試、數(shù)值模擬和實驗觀察的研究方法，研究了GO墨水的剪切變稀行為、屈服應力及同軸打印過程中的流動特性。結果表明，GO墨水在0.02 vol%乙二胺交聯(lián)下形成穩(wěn)定凝膠網(wǎng)絡，剪切速率達100 s⁻¹時粘度降至1 Pa·s，且通過優(yōu)化同軸針頭結構，實現(xiàn)了GO墨水在微通道內的連續(xù)填充，確保纖維結構完整性。      

圖2. GO墨水的流變性能與同軸打印能力對比評估。   

3. 纖維結構表征與性能分析，通過掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和力學測試的研究方法，研究了rGO/PCL/Mel纖維的微觀結構、孔隙率及機械性能。結果表明，-60℃冷凍處理的纖維平均孔徑為（67.04±12.28）×（21.58±3.91）μm²，孔隙率98.5%±0.24%，彈性模量隨PCL濃度從70 mg/mL增至120 mg/mL，從7.06±0.81 MPa提升至26.58±4.99 MPa，且可承受180°折疊和360°扭轉。      

圖3. rGO/PCL/Mel纖維的結構表征與性能分析。   

4. 體內外生物相容性評估，通過CCK-8細胞活性檢測、活/死染色和組織學分析的研究方法，研究了纖維對雪旺細胞的毒性及體內組織反應。結果表明，含1 wt% Mel的纖維組細胞活性較rGO/PCL組提升32%，且植入大鼠體內4周后無明顯炎癥反應，心、肝、腎等器官未見毒性，證實其良好的生物相容性。      

圖4. rGO/PCL/Mel纖維的體內外生物相容性評估。   

5. 軸突再生與功能恢復評估，通過甲苯胺藍染色、免疫熒光染色和CatWalk系統(tǒng)的研究方法，研究了纖維在15 mm神經缺損模型中的軸突再生效率及運動功能恢復情況。結果表明，rGO/PCL/Mel組再生軸突平均直徑4.98±2.24 μm，NF200和S100陽性表達面積分別達15.65%±0.98%和15.25%±1.36%，與自體神經移植組無顯著差異，且術后12周坐骨神經功能指數(shù)（SFI）恢復至-24.08±9.43，接近自體移植水平。      

圖5. rGO/PCL/Mel纖維的軸突再生評估。   

6. 運動功能與靶器官恢復評估，通過肌肉濕重測量、Masson三色染色和統(tǒng)計學分析的研究方法，研究了纖維對腓腸肌萎縮的逆轉效果及功能恢復。結果表明，rGO/PCL/Mel組肌肉濕重比達0.59±0.02，肌肉纖維面積百分比73.65%±3.81%，平均纖維直徑35.21±9.9 μm，均顯著優(yōu)于rGO/PCL組，證實其通過結構與化學修飾協(xié)同促進神經-肌肉功能重建。      

圖6. rGO/PCL/Mel纖維的運動功能與靶器官恢復評估。

研究結論
本研究開發(fā)了一種基于三維還原氧化石墨烯（rGO）氣凝膠的中空纖維，通過同軸打印粘彈性氧化石墨烯（GO）墨水和犧牲性海藻酸鈉（SA）凝膠，并原位沉積聚己內酯（PCL）和褪黑素（Mel），構建了具有軸向空心通道和徑向分級多孔結構的rGO/PCL/Mel雜化纖維。該纖維孔隙率高達98.5%±0.24%，彈性模量為7.06±0.81 MPa至26.58±4.99 MPa，兼具優(yōu)異的生物相容性、導電性和機械韌性，可促進神經細胞穩(wěn)定黏附、快速增殖和軸突有序遷移。在15 mm長神經缺損的SD大鼠模型中，該纖維在神經缺損修復和肌肉功能恢復方面表現(xiàn)出與自體神經移植幾乎相同的效果。本研究表明，通過多尺度結構調控和合理化學修飾的三維同軸打印rGO氣凝膠基生物纖維，為臨床治療長段周圍神經缺損提供了一種有前景的方法。
文章來源：
https://doi.org/10.1007/s42765-023-00352-x