引言
周围神经作为一种复杂的生物组织，在大脑与身体其他部位之间的实时信息传输过程中发挥着重要作用。其受到损伤后可能会造成瘫痪或残疾等风险。目前已经有成熟的临床手段来解决这一问题，但是仍存在供体短缺、神经难以再生等问题。水凝胶作为一种与人体组织性能相近的材料，具有高韧性、自修复性以及生理条件下的刺激响应性等优势，使其得以作为神经组织再生的理想生物相容性骨架。
近日，南京大学的沈群东教授(通讯作者)课题组制备了一种可用于周围神经损伤修复的高强度高韧性的导电水凝胶(CPH)。该水凝胶具有良好的导电性，并且在拉伸后仍可保持较高电导率，可以适应生物组织运动过程中的较大应变。在近红外光照射下，该凝胶的导电性还会进一步提高。并且该凝胶所具有的3D微孔网络和良好的生物相容性有利于神经组织1的黏附和进一步的生长，可以很好的修复周围神经损伤。他们利用该凝胶的优异性能成功修复了大鼠的坐骨神经损伤，改善了其行走能力。相关成果以“ConductiveHydrogelforPhotothermal-ResponsiveStretchableArtificialNerveandCoalescingwithaDamagedPeripheralNerve”为题发表在ACSNano上。
图文导读
图1.该导电聚合物水凝胶(CPH)的制备过程与电性能
该CPH由聚丙酰胺(PAM)和聚苯胺(PANI)共聚而成(图A)。其内部具有大量的微孔，有利于组织细胞的黏附与生长(图B,C)。而且高交联指数使其得以粘附在不规则的生物组织如手指表面(图C)，这一性能有利于凝胶替换受损的神经。由于凝胶含有的聚苯胺，因此其具有良好的导电性(图E)，可以作为导线点亮LED灯。由LED灯的亮度变化可知，凝胶在经过拉伸后电阻会增大，但其在拉伸至2.5倍原长后仍保持良好的导电性能(图F)。
图2.该CPH的机械性能与电性能
测试结果表明，该CPH的电阻接近ITO薄膜，低于PAM凝胶的电阻(图A,B)。由于PAM的高亲水性，在PBS中PAM的溶胀率约为%，而在PANI接枝后CPH的溶胀率降低至约%(图C）。此外，CPH的弹性模量约为Pa，处于神经组织的模量(-Pa)的范围内，适合作为生物植入物使用(图2D)。由于该CPH的导电性，因此可将其用于神经信号的传导。如图E所示，受损神经使用CPH修复后，可以恢复生物电信号传输。尽管缺少髓鞘会导致生物电信号减弱，但CPH较低的电阻率可以确保生物电信号的传输。而由于该CPH的近红外响应性能，在近红外光(NIR)的照射下CPH的电阻会降低，使其传到的电流密度得到提高(图G)。
该研究还进一步探讨了NIR对CPH电学性能的影响。在NIR照射下，该CPH的电流从1.95nA迅速增加到2.3nA，而当NIR关闭后，电流又会逐渐下降至照射前的水平。这一过程反复进行多次后，CPH的电流仍保持在恒定范围，表明其具有较好的稳定性(图H)。此外，在不同拉伸条件下，该CPH仍然表现这种NIR控制的可逆的电流变化。
图3.CPH在体外替换蟾蜍坐骨神经
该研究首先在体外环境进行了蟾蜍坐骨神经的替换实验，来考察该CPH作为神经替代物的传导性。实验方案如图A所示。在0.1V的电压刺激下，腓肠肌的收缩张力可达1.7g(图B)。将该神经切断后收缩张力就完全消失，而使用CPH替换后，腓肠肌的收缩张力又恢复到初始水平(图C)。当刺激电压升高后，完整神经和CPH修复后的神经均可使腓肠肌的收缩张力提高(图D)。此外，用CPH修复后神经与完整的坐骨神经的神经传导时间(CT)相似，这表明CPH可以在功能上替代受损的神经(图E)。
作为生物组织的一部分，CPH在植入体内后必然要经受较大形变。因此，该研究还考察了CPH在拉伸后的导电性能(图F)。结果表明，腓肠肌的收缩张力随着拉伸长度的增加而降低。而当CPH拉伸到原始长度的1.3倍时，腓肠肌的收缩张力可以保留90%以上，表现出良好的导电性。此外，在NIR照射下的CPH相较于黑暗中以及紫外光(UV)照射下的CPH，具有较高的导电性，可以使腓肠肌产生较高的收缩张力(图G)。考虑到近红外光可以更好地穿透生物组织，因此有可能使用近红外光来增强该CPH在体内的神经传导性能。
图4.CPH在体内替换小鼠坐骨神经
该研究又使用该CPH修复了小鼠的神经损伤，并考察了小鼠运动能力的恢复情况。图A为手术植入过程，该CPH可以修复长度10mm的神经损伤(图A)。将小鼠的神经切断后，其复合肌肉动作电位(CMAP)要明显小于健康神经(图B)。而将受损神经使用CPH修复后，其CMAP产生了%的恢复(图C)，在体内保持4周后，CPH修复后的CMAP值仍保持稳定(图D)，表明受损神经可以由该CPH替代。此外，经过CPH修复后小鼠的足迹要明显比神经受损时的足迹完整，并且小鼠的坐骨神经功能指数(SFI)也表现出了对时间的正相关性(图E,F)，也说明该CPH可以替代小鼠的受损神经并恢复小鼠的运动功能。
小结
本研究将PANI和PAM共聚，制备了一种具有优良导电性以及类似于神经组织机械性能的CPH。试验结果表明，该CPH在体外成功地替代了受损的蟾蜍坐骨神经。此外，小鼠体内实验的数据还表明，CPH作为生物组织植入物可以修复小鼠坐骨神经的损伤并使其恢复部分运动功能，证明该CPH有望作为替代受损的周围神经组织的生物材料。
Title:ConductiveHydrogelforanPhotothermalResponsiveStretchableArtificialNerveandCoalescingwithaDamagedPeripheralNerve
Authors:MeiDong,BoShi,DunLiu,Jia-HaoLiu,DiZhao,Zheng-HangYu,Xiao-QuanShen,Jia-MinGan,Ben-longShi,YongQiu,Chang-ChunWang,*Ze-ZhangZhu,*andQun-DongShen*
ACSNano,,DOI:10./acsnano.0c
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