3D同轴打印还原氧化石墨烯气凝胶基生物相容性纤维用于周围神经再生

来源：EFL生物3D打印与生物制造

周围神经（PN）缺损影响约3%的创伤患者，年新增临床病例约9万例，长缺损常需临床干预，虽自体神经移植（ANT）是“金标准”，但存在二次创伤、炎症等副作用，效果受限。人工神经引导纤维（NGFs）虽有潜力，但现有多孔纤维存在孔径大（>100 μm）、孔隙率低（<55%）、结构无序等问题，难以满足神经再生所需的20-70 μm孔径和>90%孔隙率要求，且机械性能与生物相容性不足。

来自兰州大学张强强、王记增团队联合中国人民解放军总医院唐佩福院士团队合作，开发了一种基于三维同轴打印技术的还原氧化石墨烯（rGO）气凝胶基生物相容性纤维。团队通过同轴打印粘弹性GO墨水和海藻酸钠（SA）凝胶，结合聚己内酯（PCL）和褪黑素（Mel）原位沉积，构建了具有轴向空心通道和径向分级多孔结构的rGO/PCL/Mel杂化气凝胶纤维。该纤维孔隙率高达98.5%±0.24%，弹性模量7.06-26.58 MPa，兼具导电性、生物相容性和机械韧性，能促进神经细胞黏附、增殖和有序迁移。在15 mm长神经缺损的SD大鼠模型中，其神经修复和肌肉功能恢复效果与自体神经移植相当。相关工作以“3D Coaxially Printing rGO Aerogel-Based Biocompatible Fiber for Peripheral Nerve Regeneration”为题发表在《Advanced Fiber Materials》上。张靖翔（兰州大学）、刘鐘阳（解放军总医院）、张阳（解放军总医院）、王静（上海长征医院）为本文共同第一作者，兰州大学张强强教授、王记增教授和解放军总医院唐佩福院士为论文共同通信作者。

研究内容
1. 纤维制备流程与再生机制示意图，通过三维同轴打印技术结合原位沉积工艺的研究方法，研究了rGO/PCL/Mel多孔空心气凝胶纤维的制备过程及周围神经缺损修复机制。结果表明，该纤维通过GO墨水与SA凝胶的同轴打印形成空心结构，经水热处理和PCL/Mel修饰后，具备分级多孔网络，可促进神经轴突定向生长和营养物质运输。      

图1. 三维同轴打印rGO/PCL/Mel多孔空心气凝胶纤维的制备及神经再生机制示意图。   

2. 流变性能与打印能力对比评估，通过动态流变测试、数值模拟和实验观察的研究方法，研究了GO墨水的剪切变稀行为、屈服应力及同轴打印过程中的流动特性。结果表明，GO墨水在0.02 vol%乙二胺交联下形成稳定凝胶网络，剪切速率达100 s⁻¹时粘度降至1 Pa·s，且通过优化同轴针头结构，实现了GO墨水在微通道内的连续填充，确保纤维结构完整性。      

图2. GO墨水的流变性能与同轴打印能力对比评估。   

3. 纤维结构表征与性能分析，通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和力学测试的研究方法，研究了rGO/PCL/Mel纤维的微观结构、孔隙率及机械性能。结果表明，-60℃冷冻处理的纤维平均孔径为（67.04±12.28）×（21.58±3.91）μm²，孔隙率98.5%±0.24%，弹性模量随PCL浓度从70 mg/mL增至120 mg/mL，从7.06±0.81 MPa提升至26.58±4.99 MPa，且可承受180°折叠和360°扭转。      

图3. rGO/PCL/Mel纤维的结构表征与性能分析。   

4. 体内外生物相容性评估，通过CCK-8细胞活性检测、活/死染色和组织学分析的研究方法，研究了纤维对雪旺细胞的毒性及体内组织反应。结果表明，含1 wt% Mel的纤维组细胞活性较rGO/PCL组提升32%，且植入大鼠体内4周后无明显炎症反应，心、肝、肾等器官未见毒性，证实其良好的生物相容性。      

图4. rGO/PCL/Mel纤维的体内外生物相容性评估。   

5. 轴突再生与功能恢复评估，通过甲苯胺蓝染色、免疫荧光染色和CatWalk系统的研究方法，研究了纤维在15 mm神经缺损模型中的轴突再生效率及运动功能恢复情况。结果表明，rGO/PCL/Mel组再生轴突平均直径4.98±2.24 μm，NF200和S100阳性表达面积分别达15.65%±0.98%和15.25%±1.36%，与自体神经移植组无显著差异，且术后12周坐骨神经功能指数（SFI）恢复至-24.08±9.43，接近自体移植水平。      

图5. rGO/PCL/Mel纤维的轴突再生评估。   

6. 运动功能与靶器官恢复评估，通过肌肉湿重测量、Masson三色染色和统计学分析的研究方法，研究了纤维对腓肠肌萎缩的逆转效果及功能恢复。结果表明，rGO/PCL/Mel组肌肉湿重比达0.59±0.02，肌肉纤维面积百分比73.65%±3.81%，平均纤维直径35.21±9.9 μm，均显著优于rGO/PCL组，证实其通过结构与化学修饰协同促进神经-肌肉功能重建。      

图6. rGO/PCL/Mel纤维的运动功能与靶器官恢复评估。

研究结论
本研究开发了一种基于三维还原氧化石墨烯（rGO）气凝胶的中空纤维，通过同轴打印粘弹性氧化石墨烯（GO）墨水和牺牲性海藻酸钠（SA）凝胶，并原位沉积聚己内酯（PCL）和褪黑素（Mel），构建了具有轴向空心通道和径向分级多孔结构的rGO/PCL/Mel杂化纤维。该纤维孔隙率高达98.5%±0.24%，弹性模量为7.06±0.81 MPa至26.58±4.99 MPa，兼具优异的生物相容性、导电性和机械韧性，可促进神经细胞稳定黏附、快速增殖和轴突有序迁移。在15 mm长神经缺损的SD大鼠模型中，该纤维在神经缺损修复和肌肉功能恢复方面表现出与自体神经移植几乎相同的效果。本研究表明，通过多尺度结构调控和合理化学修饰的三维同轴打印rGO气凝胶基生物纤维，为临床治疗长段周围神经缺损提供了一种有前景的方法。

文章来源：https://doi.org/10.1007/s42765-023-00352-x