神经引导导管（
NGC
）在周围神经再生的治疗策略方面有重要前景，但其治疗效果因缺乏可控的药物递送而受到限制。来自东南大学的柴人杰教授团队开发了一种响应超声波机械振动的复合压电纳米纤维和响应超声波温热效应的温敏水凝胶药物递送体系，制备了超声波响应型多功能神经导管用于周围神经损伤的修复再生（图
1
）。该研究设计构建的超声波响应型对齐压电纳米纤维衍生水凝胶神经导管将为临床周围神经损伤治疗提供全新思路。
通过静电纺丝和水凝胶涂层策略制备了对齐的压电纳米纤维复合神经导管（图
2a
），钛酸钡纳米颗粒（
BTNP）
掺杂
P（VDF-TrFE）
纳米纤维的表面形貌如图
2b
，
BTNP
不仅增强了纳米纤维的压电性，还促进了具有较强压电效应的
𝛽
相结晶。通过能量色散
X
射线光谱（
EDS
）图像（图
2c
），展示了
7 wt% BTNP/P（VDF-TrFE）
纳米纤维中钡（
Ba
）和钛（
Ti
）元素均匀分散。纳米纤维被卷在一个圆柱形模具上，外层水凝胶通过
UV
光交联成型，移除模具后得到复合导管（图
2d
），
SEM
图像显示了导管外层水凝胶的多孔结构，能够负载神经生长因子（
NGF
），内层对齐的压电纳米纤维，提供了有利于神经元延伸的对齐表面形貌（图
2e-g
）。
为研究不同浓度
BTNP
掺杂
P（VDF-TrFE）
纳米纤维的压电性能及其晶相结构特征，研究人员通过傅里叶变换红外光谱（
FTIR
）（图
3b
），
X
射线衍射（
XRD
）图谱（图
3c
），开路电压测试（图
3d-h
）等多种分析方法证明了
BTNP
的掺杂有效提升了
P（VDF-TrFE）
纳米纤维的
𝛽
相结晶和压电性，尤其是在
7 wt%
浓度时表现出最佳效果，并验证了其在力学和超声刺激下的能量转换潜力。
接着，研究人员探究了
BTNP/P（VDF-TrFE）
水凝胶在超声（
US）
刺激下的热效应、生物安全性及药物释放性能。图
4a
展示了琼脂糖水凝胶仿体（
AHP
）在超声刺激下的热效应，表明超声波的热效应可以在体内模拟软组织环境中控制药物释放。
MTT
实验评估超声刺激对细胞活性的影响证明了超声刺激的生物安全性（图
4b
）。
7 wt% BTNP/P（VDF-TrFE）
纳米纤维衍生
pNIPAM
复合水凝胶薄膜（
BPN
水凝胶）在超声刺激下
R
厚度随时间的增加而减小（图
4c
），表明其具有可控药物释放的潜力。荧光标记的牛血清白蛋白（
BSA-FITC
）作为模型药物也验证了超声热效应下触发药物释放的特点。
为探究不同处理条件下培养
7
天后的
PC12
细胞分化和神经元延伸的情况。通过神经标记物
𝛽
III-tubulin（Tuj1）
，
PC12
细胞表现出显著的神经元延伸和有序的生长方向（图
5a
）。图
5b, c
显示了各组的分化细胞比例和神经突长度，表明超声触发的无线电刺激与可控
NGF
释放的联合作用进一步促进了
PC12
细胞的神经突生长。极坐标图展示了
PC12
细胞在
BPN
水凝胶上的神经元生长具有一致的方向性，并且沿着对齐压电纳米纤维的方向生长，这与在玻璃片上的随机生长模式形成对比（图
5d-f
）。这种对齐的神经元生长特性有助于受损神经末端的神经突延伸。
研究人员将
BPN
导管移植到
SD
大鼠的
10 mm
坐骨神经缺损模型中。实验分为四组：自体移植组、未接受超声刺激的
BPN
组（
BPN US（−）
）、接受超声刺激的
BPN
组（
BPN US（+）
）和含
NGF
的
BPN
导管在超声刺激下的组合组（
NGF-BPN US（+））
。通过
S-100
β（
Schwann
细胞标志物）和
NF200
（神经丝标志物）的免疫荧光染色（图
6b-e
）结果可见，
BPN
导管在大鼠坐骨神经修复中超声刺激和
NGF
释放显著促进了神经再生。
手术后八周
SD
大鼠腓肠肌萎缩分析及运动功能恢复的结果可见，在超声刺激和
NGF
释放的联合作用下，腓肠肌的萎缩程度减轻，运动功能得以恢复，显示了
BPN
导管在周围神经修复中的潜在应用价值。
综上所述，该团队这一创新的超声波响应型多功能神经导管为周围神经损伤的治疗提供了新的临床治疗策略，具有较好的应用前景。其取向性拓扑结构和生物活性药物的协同作用，能够显著促进神经细胞的生长与功能恢复，为临床周围神经损伤治疗提供全新思路。
该研究由东南大学柴人杰教授团队联合多家单位完成，并于
2024
年
5
月发表于
Advanced Materials
。
论文信息：
Dongyu Xu, Siqi Fu, Hui Zhang, Weicheng Lu, Jingdun Xie
*
,
Jilai
Li
*
,
Huan Wang
*
,
Yuanjin Zhao
*
,
Renjie
Chai
*
. Ultrasound-responsive aligned piezoelectric nanofibers derived hydrogel conduits for peripheral nerve regeneration. Adv Mater. 2024, 36: 2307896.
供稿：刘怿斯
审校：梁婷
编辑：刘大川
