2023有源医疗器械创新论坛速递新研发：用于周围神经再生的天然聚合物水凝胶绷带
2023-11-21
周围神经的成功再生依赖于神经细胞和免疫细胞的协同努力。导电水凝胶在支持轴突生长方面取得了有希望的结果；然而，它们无法调节免疫反应以及与组织的生物整合较差，阻碍了受损周围神经的修复。
在此，华南理工大学施雪涛/北大口腔张学慧/中日友好医院Shengtao Yang开发了一种用于神经再生的粘性传导免疫调节神经水凝胶绷带。该神经绷带水凝胶由生物活性材料细胞外基质(ECM)、氧化多糖和聚(3,4-乙撑二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)通过自组装和动态席夫碱交联制备而成。将药物吲哚-3-丙酸 (IPA) 装入神经绷带中，有助于背根神经节中性粒细胞的快速趋化和免疫系统的调节。此外，导电水凝胶绷带与受伤神经具有紧密的保形接触，与电反应神经组织形成稳定且紧密耦合的电桥。
综上所述，神经绷带有效促进神经再生，使神经组织的解剖和功能恢复，同时防止肌肉萎缩。这项工作为周围神经再生提供了一种新策略，并可能在未来具有重要的临床应用。该研究以题为“Electroconductive and Immunomodulatory Natural Polymer-Based Hydrogel Bandages Designed for Peripheral Nerve Regeneration”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
该研究提出了一种基于IPA的细胞外基质(ECM)导电水凝胶绷带，用于神经再生(图 1)。水凝胶绷带(ECMOS-P-I)配方包含ECM、氧化淀粉(OS)、聚(3,4乙烯二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT：PSS)和IPA。将导电水凝胶绷带应用到受伤的神经上，与受伤的神经表现出紧密的保形接触，与电反应神经组织形成稳定且紧密耦合的电桥，并促进轴突再生和髓鞘再生。
此外，IPA的释放促进中性粒细胞的趋化性并促进轴突和髓鞘碎片的清除，从而通过免疫调节加速神经修复。此外，通过涉及SC迁移、神经干细胞(NSC)分化和背根神经节(DRG)神经突生长的体外实验验证了水凝胶的生物相容性和轴突延伸。为了评估其体内治疗效果，采用了基于大鼠的坐骨神经损伤(SNI)模型。进行综合评估，评估运动和感觉功能的恢复、神经重新整合、髓鞘再生以及肌肉结构和功能的恢复。
图1. 免疫调节电活性水凝胶绷带的示意图
水凝胶绷带是一种在医疗器械中广泛应用的材料，具有出色的生物相容性和可调节的物理性质。这种绷带通常由水凝胶制成，其特性使其在伤口敷料和伤口愈合中发挥关键作用。水凝胶绷带能够保持患处湿润，促进伤口愈合，同时防止绷带与伤口黏附，减轻患者的疼痛感。高质量的医疗器械有助于提高医疗治疗的效果，2023有源医疗器械创新论坛Medtec创新展助力推动医疗科技的创新，如果您在医疗器械材料行业深耕，不妨立刻点击预登记参会，参观2023有源医疗器械创新论坛Medtec创新展。
ECMOS-P-I水凝胶绷带的设计与制造
为了制造ECMOS-P-I水凝胶绷带，最初准备了ECM。源自ECM的天然水凝胶有助于组织再生和修复，因为它们富含生长因子、趋化因子和细胞因子。然而，它们较差的机械强度和电活性特性是这些用于神经再生的天然水凝胶的缺点。为了克服这些缺点，该研究首先选择 PEDOT:PSS作为导电成分，因为它能够与ECM混合而不会沉淀，并且具有高导电性和生物相容性。
该研究尝试通过混合ECM、PEDOT:PSS和IPA (ECM-P-I)来制造导电绷带水凝胶。然而，结果表明ECM-P-I未能形成稳定的水凝胶。这个问题的出现是由于导电聚合物的酸性掺杂环境破坏了ECM的自组装过程。该研究进一步探索了氧化多糖(OS)作为ECM交联剂的用途。氧化多糖中的醛基可以与氨基发生席夫碱反应，从而改善水凝胶的机械性能及其组织粘附性能。
因此，该研究采用一步合成工艺，通过混合ECM、OS、PEDOT:PSS和IPA来生产ECMOS-P-I水凝胶绷带。OS的存在显着改善了机械性能，通过37°C下的动态共价亚胺键合确保形状完整性。ECMOS-P-I水凝胶在水中浸泡24h后仍保持完整，这表明ECMOS-P-I水凝胶作为神经绷带在体内应用的巨大潜力。
此外，研究了ECMOS-P-I水凝胶中IPA的保留情况，以评估水凝胶的输送能力。正如预期的那样，在PBS中浸泡3天后，ECMOS-P-I水凝胶中释放出约80%的IPA，证实其在5天内完全释放。此释放持续时间使IPA能够在损伤的早期阶段有效地募集中性粒细胞。
图 2. ECMOS-P-I水凝胶绷带的制备和表征
ECMOS-P-I水凝胶绷带的机械、粘合和电气性能
该研究首先通过压缩测试研究水凝胶的机械性能。在压缩测试期间，ECMOS水凝胶在相似应变水平下表现出更高的应力。与 ECM相比，ECMOS和 ECMOS-P-I的杨氏模量均有所增加，这可归因于醛的醛亚胺缩合通过席夫碱合成反应，将OS中的基团与ECM中的氨基结合。
此外，ECMOS-P-I表现出优异的形状适应性，这主要是由于动态亚胺键和非共价相互作用的存在，例如π-π堆积和氢键相互作用。水凝胶中醛基的存在使得能够与新鲜组织表面的氨基发生共价反应，从而在界面处产生牢固的结合，并促进水凝胶和组织之间的牢固粘附。
为了验证ECMOS-P-I在电反应神经组织中的电信号传输，该研究进行了一个简单的脊髓灯泡电路实验。结果表明ECMOS-P-I水凝胶可以恢复电信号传输。且ECMOS-P-I比ECMOS具有更高的电荷存储能力和更大的积分环。
ECMOS-P-I水凝胶绷带上的SC迁移、NSC分化和DRG神经突生长
CCK-8 测定和活死染色证明ECMOS-P-I水凝胶无毒并表现出优异的生物相容性。此外，皮下植入实验显示了ECMOS-P-I水凝胶的生物降解性和生物相容性，突显了其作为神经再生绷带或内部填充材料的巨大潜力。特别重要的是SC迁移通过创造再生环境和支持轴突生长来促进坐骨神经修复的作用。因此，评估了ECMOS-P-I水凝胶对SC迁移的影响。结果表明， ECMOSP-I水凝胶对SC具有优异的细胞相容性和迁移能力，使其成为神经修复和再生应用的有希望的候选者。
ECMOS-P-I水凝胶绷带促进中性粒细胞趋化性
为了研究可能影响体内DRG神经元再生能力的ECMOS-P-I水凝胶绷带依赖性分子特征，该研究在SNI后3 天对模型和ECMOS-P-I组的DRG进行了RNA测序。分析表明，ECMOS-P-I治疗影响了 DRG基因表达程序，如差异基因表达分析所示。在ECMOS-P-I组中显示显着上调的基因本体(GO)类别与免疫调节有关，特别是中性粒细胞趋化性。
值得注意的是，中性粒细胞配体和中性粒细胞趋化因子在ECMOS-P-I组中选择性上调，表明ECMOS-P-I可能促进中性粒细胞向DRG趋化。与对照组相比，ECMOS-P-I水凝胶绷带治疗增加了DRG组织内的中性粒细胞数量。
为了进一步探讨不同组中轴突和髓磷脂碎片的清除情况，该研究对术后10天收集的损伤神经进行免疫荧光染色分析。结果表明ECMOS-P-I治疗有效促进轴突和髓磷脂碎片的清除。值得一提的是，ECMOS-P-I治疗不会诱导慢性炎症，并有效促进巨噬细胞从促炎表型(M1)转变为抗炎表型(M2)。
ECMOS-P-I水凝胶绷带促进神经再生和腓肠肌恢复
运动功能的恢复与SNI的结构和病理生理学方面密切相关。该研究首先进行了H&E染色，与ECMOS-P和ECMOS-I组相比，ECMOS-P-I组的轴突纤维在损伤部位组织良好且连续。ECMOS-P-水凝胶为轴突再生提供了合适的微环境。对纵向神经切片进行免疫荧光染色，以评估损伤后30天的轴突再生和髓鞘再生，结果证实了ECMOS-P-I水凝胶绷带能够有效促进神经再生。
图 6. 通过ECMOS-P-I治疗促进神经再生
该研究在术后30天使用透射电子显微镜(TEM)评估再生坐骨神经的髓鞘再生情况，并定量分析神经纤维的参数。模型组的TEM形态显示髓鞘薄而稀疏。然而，ECMOS-P-I组中的再生轴突被透明、厚且电子致密的髓鞘包围。尽管ECMOS-P组和ECMOS-I组在有髓轴突直径、新髓鞘厚度方面也表现出显着的髓鞘再生，但髓鞘再生效率不如ECMOS-P-I组。这些结果充分证明，使用ECMOS-P-I水凝胶绷带后神经纤维再生良好。
腓肠肌活力可作为SNI后神经再生的重要指标。因此，该研究收获腓肠肌并计算受伤侧和健康侧之间的湿肌肉重量之比。在使用ECMOS-P-I水凝胶绷带后，这种萎缩随着时间的推移逐渐改善，表明神经支配和肌肉恢复。上述结果表明ECMOS-P-I不仅能缓解腓肠肌萎缩，还能恢复肌肉功能和形态。因此，ECMOS-P-I通过及时清除碎片并向神经传递电信号来促进再生神经的髓鞘再生并减轻腓肠肌萎缩。
ECMOS-P-I水凝胶绷带促进功能恢复
为了验证ECMOS-P-I水凝胶绷带对周围神经再生的促进作用，该研究通过电生理分析评估神经传导，并通过足迹实验评估运动功能恢复。总体而言，该研究表明，ECMOS-P-I神经绷带表现出导电性、免疫调节能力、对湿组织的稳定粘附和促进轴突再生的独特组合。
小结
该研究开发了一种新型IPA封装ECM传导神经绷带，用于周围神经再生。神经绷带可以轻松附着在神经纤维上，避免额外的缝合过程。水凝胶的电生理特性除了促进体外轴突延伸外，还促进SC迁移。此外，IPA的早期释放与中性粒细胞参与体内轴突和髓鞘碎片清除的时间相匹配。粘性和导电神经绷带通过介导中性粒细胞对DRG的趋化性和电信号的传输，促进 SNI后轴突再生、表皮神经支配和感觉神经恢复。因此，该研究展示了基于ECM的导电生物材料在神经系统中应用的巨大潜力。
总体而言，水凝胶绷带在医疗器械中的应用是为了提供更有效、舒适和快速的伤口管理，促进患者的康复。2023有源医疗器械创新论坛Medtec创新展认为，医疗器械的生产制造过程直接关系到患者的安全和治疗效果，同时也在推动医疗科技创新、遵守法规和确保供应链稳定性等方面挥发着不可替代的作用。
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