導(dǎo)電材料在神經(jīng)組織修復(fù)中的作用機(jī)制與應(yīng)用進(jìn)展

王煜煜，王善龍，宋功吉，俞楊銷，王建南，許建梅

(蘇州大學(xué)，a. 紡織與服裝工程學(xué)院；b.紡織行業(yè)醫(yī)療健康用蠶絲制品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州 215027)

在日常生產(chǎn)生活中，由于意外事故、疾病及各種創(chuàng)傷事件等導(dǎo)致的周圍神經(jīng)損傷是一種臨床上常見的慢性創(chuàng)傷，會(huì)導(dǎo)致患者生活質(zhì)量下降并造成一定的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。周圍神經(jīng)的短缺損可以通過簡(jiǎn)單的外科縫合進(jìn)行自我再生，而對(duì)于缺損距離超過直徑3或4倍的長缺損，就需要其他的輔助治療手段[1]。目前，周圍神經(jīng)損傷的標(biāo)準(zhǔn)治療方法是自體神經(jīng)移植，但面臨供體部位的發(fā)病率、神經(jīng)瘤形成的可能性、直徑不匹配以及手術(shù)時(shí)間的延長等問題；異體神經(jīng)移植則存在免疫和排斥反應(yīng)[2]。因此，對(duì)于周圍神經(jīng)損傷的修復(fù)治療一直是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，為了克服神經(jīng)移植的種種限制，使用人工神經(jīng)導(dǎo)管(NGC)成為一種非常有前途的選擇。

理想的NGC需要提供一個(gè)生物活性環(huán)境以促進(jìn)髓鞘形成，給予軸突生長和再生軸突結(jié)構(gòu)支持。目前，市售NGC主要由膠原蛋白(Col)、聚羥基乙酸(PGA)、聚己內(nèi)酯(PCL)、殼聚糖(CTS)、聚乙烯醇(PGA)或豬小腸黏膜下層制成，用于修復(fù)小于 3 cm 的神經(jīng)損傷[3]。NGC為神經(jīng)細(xì)胞遷移、粘附、增殖提供了有效的仿生支架，為了提高神經(jīng)再生的效果還需要其他生物分子如神經(jīng)生長因子或物理信號(hào)如電刺激來刺激細(xì)胞再生修復(fù)受損的組織[4]。導(dǎo)電材料以其固有的電特性，在促進(jìn)周圍神經(jīng)損傷再生方面有很大的應(yīng)用潛力?；趯?dǎo)電材料的重要作用，本文將討論電刺激促進(jìn)神經(jīng)再生的機(jī)制，分析聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANi)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)、石墨烯(GO)及其衍生物、碳納米管(CNT)等幾種導(dǎo)電材料的性能、特點(diǎn)、在神經(jīng)修復(fù)中的作用與應(yīng)用，總結(jié)導(dǎo)電性NGC的制備方法及特點(diǎn)，指出未來導(dǎo)電材料在神經(jīng)修復(fù)中應(yīng)用時(shí)重點(diǎn)考慮的一些關(guān)鍵問題：比如通過改性、控制聚合條件等方法改善導(dǎo)電材料難加工力學(xué)性能差的缺點(diǎn)，導(dǎo)電材料在機(jī)體內(nèi)長期使用的代謝機(jī)制與生理毒性問題。

1 周圍神經(jīng)再生

神經(jīng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和功能單位是神經(jīng)元，其軸突由神經(jīng)纖維細(xì)胞、雪旺細(xì)胞(SCs)支持，這些細(xì)胞可以是無髓鞘的或有髓鞘的。髓鞘由髓鞘和形成SCs細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)組成，反復(fù)纏繞在軸突周圍，充當(dāng)絕緣體并加速神經(jīng)信號(hào)傳輸[5]。周圍神經(jīng)創(chuàng)傷性損傷后，損傷的神經(jīng)發(fā)生一系列病理和生理事件，導(dǎo)致遠(yuǎn)端殘端的Wallerian變性和近端殘端小區(qū)域內(nèi)的軸突變性[4]，同時(shí)神經(jīng)的自我修復(fù)機(jī)制也會(huì)被觸發(fā)。電刺激可以加強(qiáng)這一修復(fù)機(jī)制，同時(shí)用于修復(fù)缺損神經(jīng)的導(dǎo)管若具有一定的導(dǎo)電性可以提升電刺激作用。

1.1 神經(jīng)的再生修復(fù)機(jī)制

周圍神經(jīng)損傷后神經(jīng)元的再生過程如圖1所示[5]。神經(jīng)損傷后，巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞遷移到受損神經(jīng)殘端以去除由此產(chǎn)生的髓鞘和軸突碎片，而SCs增殖形成Büngner帶，同時(shí)產(chǎn)生的神經(jīng)生長因子如膠質(zhì)源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(GDNF)、睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子(CNTF)、胰島素樣生長因子(IGF-1)、神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白(NRG1)和細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)能夠刺激軸突再生。軸突再生從近端殘端開始，一直持續(xù)到遠(yuǎn)端殘端。新的軸突芽從Ranvier節(jié)點(diǎn)發(fā)出，并通過SCs進(jìn)行髓鞘再生，再生軸突延伸直至達(dá)到其突觸目標(biāo)以實(shí)現(xiàn)功能再支配[4]。仿照這種結(jié)構(gòu)制成的NGC已經(jīng)有望代替自體神經(jīng)移植，以治療較大間隙的神經(jīng)損傷。

圖1 周圍神經(jīng)損傷后神經(jīng)元再生Fig.1 Neuronal regeneration after peripheral nerve injury

1.2 電刺激促進(jìn)神經(jīng)再生

由于細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，細(xì)胞具有電特性，例如電阻和電導(dǎo)率，其中細(xì)胞內(nèi)部為電負(fù)性，外部為電正性。當(dāng)沒有神經(jīng)透射時(shí)，靜息膜電位約為-70 mV。動(dòng)作電位是靜息電位的意外變化，隨后快速去極化和復(fù)極化，從而導(dǎo)致電活動(dòng)[6]。信息就是通過一系列動(dòng)作電位在神經(jīng)元中沿著軸突傳遞，因此，神經(jīng)元受到外源性電刺激強(qiáng)烈影響[7]。電刺激已被證實(shí)是一種能在體內(nèi)和體外引導(dǎo)干細(xì)胞向電活性細(xì)胞遷移、增殖和分化的有效方法，適當(dāng)?shù)拇碳し绞娇梢砸龑?dǎo)細(xì)胞再生[8]。

研究表明在神經(jīng)缺損間建立電場(chǎng)環(huán)境時(shí)，短暫(1 h)低頻(20 Hz)的電刺激可加速軸突再生，促進(jìn)功能恢復(fù)[9-10]。雖然電刺激促進(jìn)神經(jīng)元生長的潛在機(jī)制尚不完全清楚，但存在幾種不同的觀點(diǎn)：

a)電刺激調(diào)節(jié)細(xì)胞活動(dòng)。電刺激已被證實(shí)可調(diào)節(jié)細(xì)胞活動(dòng)，如細(xì)胞粘附、增殖、遷移以及蛋白質(zhì)生成，因此猜測(cè)電刺激通過刺激各種細(xì)胞通路，導(dǎo)致細(xì)胞骨架改變和細(xì)胞器重新分布，從而引導(dǎo)近端神經(jīng)殘端再生[11]。

b)電刺激促進(jìn)神經(jīng)營養(yǎng)因子 (NGF) 的表達(dá)。周圍神經(jīng)損傷后，由于來自遠(yuǎn)端SCs所提供的GDNF、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)等營養(yǎng)因子表達(dá)較慢且難以在早期對(duì)軸突再生提供有效支持。神經(jīng)損傷后，低頻電刺激能促進(jìn)上述物質(zhì)的早期表達(dá)。這些早期表達(dá)的營養(yǎng)因子一方面能夠誘導(dǎo)較多的神經(jīng)元維持再生狀態(tài)，提高神經(jīng)元再生率，另一方面，促使這些具有再生功能的神經(jīng)元在神經(jīng)損傷后盡早啟動(dòng)軸突再生過程，并幫助再生的軸突盡快通過再生難度較大的損傷點(diǎn)[12]。

c)電刺激提高細(xì)胞內(nèi)復(fù)合肌肉動(dòng)作電位(cAMP)水平。增加cAMP水平或使用其抑制劑都會(huì)影響神經(jīng)元的生長和軸突的伸長，電刺激通過增加神經(jīng)元內(nèi)cAMP促進(jìn)軸突生長[12]。

1.3 導(dǎo)電基材上的神經(jīng)再生

神經(jīng)元在生長過程中會(huì)延長軸突使其與目標(biāo)接觸，隨著連接的建立，發(fā)育軸突伸長能力下降，發(fā)生創(chuàng)傷事件后必須使神經(jīng)元恢復(fù)到發(fā)育階段的“伸長模式”。Ca2+流入軸漿是損傷引起的第一個(gè)信號(hào)之一，鈣/鈉通量倒置引發(fā)的去極化沿軸突傳播到細(xì)胞體，細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的變化會(huì)引發(fā)軸突生長所需的各種細(xì)胞自主機(jī)制來調(diào)節(jié)再生[13]。Mcgregor等[14]提出電刺激可以模仿在軸突損傷后逆行的鈣波，以引發(fā)再生的細(xì)胞自治機(jī)制。用導(dǎo)電材料進(jìn)行電刺激可顯著促進(jìn)神經(jīng)突生長和神經(jīng)再生。除此之外，神經(jīng)修復(fù)的實(shí)際應(yīng)用也高度依賴于神經(jīng)細(xì)胞的功能和對(duì)底物電導(dǎo)率的反應(yīng)[15]。

已有研究表明神經(jīng)干細(xì)胞能夠在具有良好鋪展形態(tài)的支架上生長，通過電刺激，顯著促進(jìn)了神經(jīng)干細(xì)胞的增殖和分化[16]。Pires等[17]評(píng)估了在有無電刺激的情況下，導(dǎo)電基材上神經(jīng)干細(xì)胞的分化情況。事實(shí)證明，導(dǎo)電基材能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞表面受體的排列和蛋白質(zhì)的吸附，促進(jìn)細(xì)胞骨架重組，引起細(xì)胞形態(tài)的變化；在電刺激下獲得的神經(jīng)元的數(shù)量增加，并且呈現(xiàn)出更高的伸長率和更長的突起。更重要的是，即使沒有外源遺傳物質(zhì)或化學(xué)刺激物干擾基因組，導(dǎo)電基材也會(huì)增加干細(xì)胞向神經(jīng)細(xì)胞的分化，這與其導(dǎo)電性直接相關(guān)[6]。導(dǎo)電NGC與電刺激協(xié)同作用促進(jìn)神經(jīng)再生也受到越來越多關(guān)注。

2 導(dǎo)電材料

為了制備具有導(dǎo)電性的NGC，常采用一些導(dǎo)電材料如聚吡咯、聚苯胺、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、石墨烯、還原氧化石墨烯(rGO)、碳納米纖維(CNF)等通過涂層、溶液混合成形等方法制備導(dǎo)電NGC。表1 從制備材料、制備方法、導(dǎo)管參數(shù)、體內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果等多個(gè)方面總結(jié)了相關(guān)的研究。表1中SFI是指坐骨神經(jīng)指數(shù)，它是通過對(duì)大鼠步行軌跡分析經(jīng)過計(jì)算得到的，正常大鼠坐骨神經(jīng)的SFI等于0，而完全切斷坐骨神經(jīng)的大鼠SFI等于-100。從表1可以看出導(dǎo)電材料大多與一些天然材料或合成材料結(jié)合制成復(fù)合型的導(dǎo)電NGC。天然材料包括絲素蛋白(SF)、殼聚糖(Cs)、柞蠶絲素蛋白(ApF)、明膠(Gel)等；合成材料包括聚丙交酯-聚乙二醇共聚物(PELA)、聚己內(nèi)酯(PCL)、聚L-丙交酯-己內(nèi)酯(PLCL)、聚D,L-丙交酯(PDLLA)、聚L-乳酸(PLLA)等。導(dǎo)電材料與上述材料結(jié)合制成的導(dǎo)電NGC具有良好的生物相容性、機(jī)械加工性和導(dǎo)電性。體內(nèi)外研究表明，這些導(dǎo)電材料支持多種細(xì)胞的粘附、增殖和分化，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)電NGC也被證實(shí)有效促進(jìn)了神經(jīng)再生。但目前的研究還有許多問題需要解決。首先，新型生物材料在體內(nèi)長期安全性沒有研究；其次，導(dǎo)電材料在體內(nèi)的代謝機(jī)制問題沒有涉及；最后，對(duì)長距離神經(jīng)損傷的治療仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

表1 基于導(dǎo)電材料的人工神經(jīng)導(dǎo)管Tab.1 Artificial nerveconduits based on conductive materials

2.1 導(dǎo)電聚合物

2.1.1 聚吡咯(PPy)

聚吡咯是一種共軛聚合物，可以通過化學(xué)或電化學(xué)手段合成，具有良好的生物相容性，長時(shí)間植入體內(nèi)對(duì)機(jī)體不會(huì)產(chǎn)生明顯的過敏、炎癥及損傷[30]。但PPy分子骨架高度共軛使其非常堅(jiān)硬，不溶且加工性較差。為了優(yōu)化PPy在生物醫(yī)學(xué)尤其是組織工程應(yīng)用中的電導(dǎo)率優(yōu)勢(shì)，必須將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭杉庸さ男问絒31]。

早在1994年，Williams等[32]研究就表明PPy具有良好的生物相容性，并肯定其作為NGC的潛力。Wang等[33]將PPy通過電化學(xué)法涂在硅膠管的內(nèi)表面來制備NGC。研究表明，PPy浸提液沒有急性和亞急性毒性，熱原、溶血、過敏原或誘變的證據(jù)；在PPy包膜的硅膠管上SCs的遷移和背根神經(jīng)節(jié)的軸突生長優(yōu)于對(duì)照組。PPy制成導(dǎo)管后與電刺激聯(lián)合使用似乎能促進(jìn)神經(jīng)再生和功能恢復(fù)，為修復(fù)長節(jié)段神經(jīng)缺損提供了一條很有前途的途徑。Zhou等[19]通過靜電紡絲技術(shù)制備了PPy/PELA導(dǎo)電復(fù)合支架，并將其應(yīng)用于周圍神經(jīng)缺損的修復(fù)。圖2顯示了支架的SEM顯微和實(shí)物照片以及PPy/PELA導(dǎo)電復(fù)合支架通過自發(fā)電刺激促進(jìn)大鼠周圍神經(jīng)再生的過程。體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備的材料具有良好的生物相容性，支持PC-12細(xì)胞的附著和增殖。此外，植入大鼠坐骨神經(jīng)缺損處12周后，與自體移植物效果相似。

圖2 靜電紡絲PPy/PELA纖維導(dǎo)管及其在體植入神經(jīng)再生的方法Fig.2 Electrospun PPy/PELA fibrous conduits and the procedures of the in vivo implantation for nerve regeneration

2.1.2 聚苯胺(PANi)

聚苯胺是苯胺在酸性條件下的氧化聚合產(chǎn)物，通常稱為苯胺黑。根據(jù)氧化程度，PANi可以以各種絕緣形式存在，例如完全還原的無色醛亞胺堿、半氧化的綠醛亞胺堿和完全氧化的過氧化氫亞胺堿。完全氧化態(tài)是PANi最穩(wěn)定和研究最廣泛的形式[34]。在神經(jīng)組織工程中，PANi是有潛力的材料，可與其他可降解聚合物結(jié)合，在較低的電刺激下促進(jìn)軸突生長。Wang等[21]將PANi逐層沉積到玉米醇溶蛋白支架表面，制備NGC。植入早期(2個(gè)月)導(dǎo)電NGC有效改善神經(jīng)功能恢復(fù)，但植入后期(4個(gè)月)NGC降解產(chǎn)生的碎屑引起空間位阻，引起炎癥反應(yīng)和細(xì)胞毒性，妨礙神經(jīng)再生。PANi完全不溶于水，在水介質(zhì)中穩(wěn)定，幾乎無毒。細(xì)胞毒性產(chǎn)生的原因似乎與其低分子量組分有關(guān)。他們有兩種類型:a)反應(yīng)副產(chǎn)物和基于苯胺的低聚物(如苯胺三聚體);b)構(gòu)成PANi的酸[35]。因此，與PPy等生物相容性好的導(dǎo)電聚合物相比，PANi在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用仍受到限制。

苯基/苯基封端的四聚體和八聚體等苯胺的一些低聚物在結(jié)構(gòu)上與PANi相似，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，細(xì)胞毒性小，表現(xiàn)出更好的溶解性和可加工性，吸引了研究人員的關(guān)注[36]。Guo等[22]將苯胺五聚體和聚己內(nèi)酯通過溶液澆鑄和鹽浸法制成電活性可降解多孔導(dǎo)管，證明了導(dǎo)管無細(xì)胞毒性是神經(jīng)組織工程良好候選者。此外，Das將低聚苯胺分子與絲素蛋白溶于甲酸，電紡成PANi/SF導(dǎo)管。植入大鼠體內(nèi)12個(gè)月后，PA/SF NGC的動(dòng)作電位為正常狀態(tài)的75%，SFI為-51；SF NGC的僅34%，SFI為-70。這些結(jié)果表明，導(dǎo)電NGC表現(xiàn)出比非導(dǎo)電NGC更好的神經(jīng)損傷修復(fù)性能。

2.1.3 聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)

在導(dǎo)電聚合物中，聚噻吩的聚合物由于具有廣泛的電子、電化學(xué)和光學(xué)應(yīng)用前景而備受關(guān)注。在此背景下，聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)被認(rèn)為是最成功的聚噻吩衍生物。它具有高導(dǎo)電性，在氧化態(tài)下還表現(xiàn)出異常的環(huán)境和電化學(xué)穩(wěn)定性，無細(xì)胞毒性，并且與上皮細(xì)胞有生物相容性和電相容性，證明它有應(yīng)用于組織工程的潛力[37]。Wang等[23]制備的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)/殼聚糖/明膠(PEDOT/Cs/Gel)支架無細(xì)胞毒性，不僅促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞(NSCs)粘附和增殖，還增強(qiáng)了它向神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞的分化。

2.2 石墨烯及其衍生物

石墨烯是一種由碳同素異形體構(gòu)成的2D蜂窩狀晶格，具有出色的導(dǎo)電、熱學(xué)、光學(xué)和機(jī)械性能。石墨烯家族有許多成員，如單層石墨烯、氧化石墨烯(GO)和還原氧化石墨烯(rGO)等，已應(yīng)用于傳感器、光電探測(cè)器、儲(chǔ)能器件、納米復(fù)合材料等領(lǐng)域[38]。利用石墨烯獨(dú)特的表面和電特性來促進(jìn)干細(xì)胞向神經(jīng)元的分化，是治療神經(jīng)元損傷和疾病的一種極具吸引力的策略。最近，越來越多研究表明，將石墨烯與其他材料結(jié)合形成的納米復(fù)合材料可為刺激神經(jīng)干細(xì)胞粘附、增殖、分化和周圍神經(jīng)再生提供出色的平臺(tái)[39-40]。石墨烯基支架還能與電刺激結(jié)合，例如Dong等[8]將石墨烯基導(dǎo)電纖維支架與電刺激組合來修復(fù)神經(jīng)損傷，圖3顯示了正常組、自體移植組、對(duì)照組、電刺激組和一次電刺激組在術(shù)后1個(gè)月和 3 個(gè)月的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，其中SSI是指靜態(tài)坐骨神經(jīng)功能指數(shù)。研究結(jié)果表明電刺激顯著增強(qiáng)了石墨烯基導(dǎo)電纖維支架植入后神經(jīng)再生和功能恢復(fù)，并且治療效果與自體移植相當(dāng)。GO和rGO也已被證實(shí)支持SCs的粘附和增殖，有效促進(jìn)神經(jīng)再生[24-26]。石墨烯是把雙刃劍，高電導(dǎo)率促進(jìn)了神經(jīng)再生，但由于π - π堆疊作用強(qiáng)烈，可能對(duì)蛋白質(zhì)、DNA結(jié)構(gòu)和細(xì)胞膜產(chǎn)生破壞[41]。目前關(guān)于石墨烯、GO、rGO的細(xì)胞毒性存在爭(zhēng)議，這限制了其潛在的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，這可能與其不同制備方法、尺寸和功能化有關(guān)[38]。

2.3 碳納米管(CNT)

碳納米管是由六角有序的碳原子卷成的薄片，長度通常在微米范圍內(nèi)，它們可能是單壁或多壁的(分別是SWCNT和MWCNT)。CNT表現(xiàn)出可調(diào)節(jié)的物理特性(長度、直徑、壁數(shù)、手性)和化學(xué)特性(表面功能性和高電化學(xué)表面積)。除上述特性外，CNT在結(jié)構(gòu)上的各向異性電導(dǎo)率與神經(jīng)元電導(dǎo)率有一定相似之處，并且小CNT束的尺寸和樹突的尺寸相似，增加了探測(cè)、修復(fù)、刺激或重新配置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可能性[42]。盡管許多研究都強(qiáng)調(diào)暴露在原始CNT中會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性影響，但這些不利影響主要是由于在合成過程中產(chǎn)生的重金屬納米粒子造成的。進(jìn)一步的功能化步驟可以去除這些金屬，也可以減少CNT的聚集，從而改善進(jìn)一步的生物分布和較原始CNT更低的炎癥反應(yīng)[43]。

Yu等[44]利用羧基多壁碳納米管與生物可降解材料膠原和聚己內(nèi)酯復(fù)合制備NGC，在體外，羧基多壁碳納米管增強(qiáng)的電紡纖維支持SCs的粘附和伸長，體內(nèi)研究表明該導(dǎo)管可有效促進(jìn)大鼠坐骨神經(jīng)缺損的神經(jīng)再生，防止肌肉萎縮，而且不會(huì)引起機(jī)體排斥反應(yīng)或嚴(yán)重的慢性炎癥。雖然許多文獻(xiàn)表明，表面功能化可以減輕CNT在體內(nèi)的毒性，但其長期安全性尚未進(jìn)行研究，不可生物降解性和長期毒性限制了碳基納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 導(dǎo)電人工神經(jīng)導(dǎo)管的制備方法

NGC制備過程中良好的成型方法能夠引導(dǎo)細(xì)胞生長，從而制備具有特定功能的導(dǎo)管支架。而具有一定電導(dǎo)性的NGC與電刺激協(xié)同作用加快周圍神經(jīng)損傷的修復(fù)再生已成為共識(shí)。為使人工神經(jīng)導(dǎo)管具有導(dǎo)電性，直接使用導(dǎo)電材料作為導(dǎo)管的主體材料是不可行的，因?yàn)閷?dǎo)電材料難加工力學(xué)性能差。但可將導(dǎo)電材料與其他聚合物混合或共聚來提高機(jī)械和流變性能，從而提高其可加工成導(dǎo)管的能力[45]，或者通過對(duì)神經(jīng)導(dǎo)管進(jìn)行表面處理如涂層、接枝、原位聚合等方法來獲得導(dǎo)電NGC。圖4顯示了神經(jīng)導(dǎo)管的常用制備技術(shù)[46-47]。

圖4 神經(jīng)導(dǎo)管的常用制備技術(shù)Fig.4 The common techniques for fabricating nerve conduits

3.1 復(fù)合成形

一般可以將導(dǎo)電材料以微細(xì)顆?；蛉芤旱男问脚c聚合物共混，通過靜電紡絲、3D打印、模具法等技術(shù)加工成一定長度與直徑的NGC。

3.1.1 靜電紡絲技術(shù)

在周圍神經(jīng)損傷修復(fù)中，靜電紡絲技術(shù)制備的導(dǎo)管材料具有更大的優(yōu)勢(shì)。這是由于靜電紡絲技術(shù)制備的隨機(jī)或縱向排列的納米纖維或微纖維可以在纖維結(jié)構(gòu)上模擬天然的細(xì)胞外基質(zhì)，此外，這項(xiàng)技術(shù)允許優(yōu)化和操縱機(jī)械、生物和動(dòng)力學(xué)特性，以增強(qiáng)細(xì)胞與基材的相互作用[3]。為了利用納米纖維結(jié)構(gòu)同時(shí)考慮到神經(jīng)細(xì)胞的電特性和電刺激對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的影響，因此導(dǎo)電材料的使用對(duì)于構(gòu)建神經(jīng)組織工程支架非常有吸引力。為了克服導(dǎo)電材料難加工的問題，多數(shù)研究人員通過將導(dǎo)電材料與其他可紡聚合物混合來制備電紡導(dǎo)電納米纖維薄膜[34]。目前關(guān)于電紡導(dǎo)電納米復(fù)合材料的研究已涉及聚吡咯/聚-DL乳酸-聚乙二醇共聚物(PPy/PELA)[19]、改性多壁碳納米管/聚左旋乳酸(mMWCNTs/PLLA)[28]、聚苯胺/聚左旋乳酸(PANi/PLLA)[48]等。在這些研究中，發(fā)現(xiàn)通過電紡制成的導(dǎo)電神經(jīng)導(dǎo)管有利于神經(jīng)細(xì)胞粘附、增殖和分化，但也存在一些局限性。首先導(dǎo)電材料是不可生物降解的，可能會(huì)引發(fā)慢性炎癥；其次靜電紡絲技術(shù)無法精確控制導(dǎo)管的孔徑、孔隙率和纖維方向；此外該工藝缺乏可重復(fù)性，難以擴(kuò)大規(guī)模[45]。

3.1.2 3D打印技術(shù)

3D打印是根據(jù)三維數(shù)字模型，通過逐層堆積的方式制造出復(fù)雜精細(xì)的任意三維結(jié)構(gòu)的方法。不同于傳統(tǒng)的NGC制造方法，3D打印可以制造具有個(gè)性化特征和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的柔性NGC，還可以將支架與細(xì)胞和生長因子結(jié)合起來模擬細(xì)胞外基質(zhì)，在功能性NGC的構(gòu)建方面展現(xiàn)出巨大的潛力[49]。該技術(shù)提供了一種綜合方法，可將天然和合成材料、支持細(xì)胞、生長因子以及由醫(yī)學(xué)成像確定的特定于導(dǎo)管接受者的形狀/尺寸相結(jié)合。但它們的使用存在一些限制，如打印速度有限和分辨率低，這主要受噴嘴的限制[3]。

Vijayavenkataraman等[50]通過電流體動(dòng)力噴射3D打印技術(shù)制備了rGO/PCL導(dǎo)電神經(jīng)導(dǎo)管，研究發(fā)現(xiàn)rGO/PCL支架的機(jī)械性能低于純PCL支架，但其細(xì)胞增殖情況比純PCL支架更好。這種電流體動(dòng)力噴射成形技術(shù)是靜電紡絲技術(shù)與3D打印技術(shù)的完美結(jié)合，能夠通過調(diào)整工藝參數(shù)來控制導(dǎo)管的特性即纖維直徑、孔徑、孔隙率和纖維取向度[45]，具有材料兼容性好、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[51]。

3.1.3 其他技術(shù)

溶劑澆鑄是制造多孔3D支架最便宜、最簡(jiǎn)單的方法，適用于大多數(shù)聚合物材料，還可與鹽浸工藝結(jié)合制備高度多孔的支架結(jié)構(gòu)[46]；微圖案化是通過光刻、反應(yīng)離子蝕刻或各向異性蝕刻等方法在聚合物薄膜表面進(jìn)行圖案化后再卷曲成NGC，這種具有微米級(jí)的微通道和凹槽的NGC可以提供有效的神經(jīng)再生所需的物理線索[52]；芯軸/浸涂也是一種強(qiáng)大的方法，可以生產(chǎn)出厚度和均勻性控制更好的NGC[53]。

3.2 表面處理

細(xì)胞和NGC之間的相互作用也是影響神經(jīng)再生過程的關(guān)鍵因素，因此，對(duì)導(dǎo)管表面進(jìn)行操作和優(yōu)化，可以最好地反映神經(jīng)再生的有利生物學(xué)條件[53]。可以通過各種方法將導(dǎo)電材料沉積到已經(jīng)準(zhǔn)備好的導(dǎo)管材料上，包括化學(xué)氣相沉積、溶膠-凝膠、原位聚合和化學(xué)鍍等[54]。目前常用的導(dǎo)電聚合物如聚吡咯、聚苯胺、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)都可用電化學(xué)或化學(xué)氧化聚合法合成，因此表面沉積法在高分子修復(fù)材料聚合中具有重要意義。Sun等[55]通過“原位聚合”的方法將PPy包覆在靜電紡聚乳酸-ε-己內(nèi)酯/絲素蛋白(PLCL/SF)表面制備了NGC，研究表明該膜具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、機(jī)械性能和生物相容性，PPy涂層可促進(jìn)術(shù)后早期SCs的增殖及后期髓鞘的形成，神經(jīng)再生效果接近自體移植組。在另一項(xiàng)研究中通過對(duì)比原位聚合和化學(xué)氣相沉積法制備的PPy/粘膠導(dǎo)電復(fù)合紡織品，發(fā)現(xiàn)氣相沉積制備的織物在纖維表面顯示出高度均勻的PPy涂層，并且PPy部分滲透到纖維本體的無定形區(qū)域內(nèi)[56]。表面沉積技術(shù)無論是通過表面噴涂來改善導(dǎo)管表面的粗糙度、促進(jìn)生長因子和細(xì)胞的附著，還是通過多層三維結(jié)構(gòu)來增加導(dǎo)管的比表面積，改變電導(dǎo)率，所有這些都為修復(fù)受傷的神經(jīng)提供了潛在的可能性[47]。

4 總結(jié)與展望

具有導(dǎo)電性的人工神經(jīng)導(dǎo)管在周圍神經(jīng)再生中可以更好地誘導(dǎo)神經(jīng)再生，在長距離神經(jīng)缺損的修復(fù)中表現(xiàn)出巨大的潛力。聚吡咯、聚苯胺、石墨烯等導(dǎo)電材料在導(dǎo)電性人工神經(jīng)導(dǎo)管的制備中受到越來越多的關(guān)注，這些導(dǎo)電材料具有良好的生物相容性。通過與其他高分子聚合物通過共混、對(duì)其他高分子材料進(jìn)行表面修飾處理(如涂層、化學(xué)氣相沉積等)使神經(jīng)導(dǎo)管具有導(dǎo)電性，特別是形成的納米導(dǎo)電材料可以更好地刺激神經(jīng)干細(xì)胞粘附、增殖、分化，以大大改善神經(jīng)再生，進(jìn)而改善周圍神經(jīng)損傷后的功能恢復(fù)，縮短修復(fù)時(shí)間，提高治愈率，減輕患者負(fù)擔(dān)。

然而，當(dāng)具有適當(dāng)導(dǎo)電性的材料用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用時(shí)，存在一些實(shí)際問題。首先，這些導(dǎo)電材料具有一定的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)為難加工、難降解性。比如聚吡咯不溶，碳納米管易團(tuán)聚與基體材料結(jié)合較差，在基體中分散性差。石墨烯的高電導(dǎo)率也可能對(duì)蛋白質(zhì)、DNA結(jié)構(gòu)和細(xì)胞膜產(chǎn)生破壞等。未來研究中可以考慮通過表面改性，控制聚合條件、摻雜等手段來改善導(dǎo)電聚合物的這些缺點(diǎn)。其次，電刺激與導(dǎo)電材料的協(xié)同作用機(jī)制還需要進(jìn)一步的研究，包括電刺激施加的強(qiáng)度、方式與導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率、導(dǎo)管三維結(jié)構(gòu)如何匹配可以發(fā)揮最大的協(xié)同作用效果，以滿足神經(jīng)長距離缺損修復(fù)的需求。再次，導(dǎo)電材料在體內(nèi)長期的細(xì)胞毒性、生物相容性及代謝問題應(yīng)為未來研究的重點(diǎn)，包括導(dǎo)電材料的用量與基體材料降解速率對(duì)機(jī)體細(xì)胞的毒性，導(dǎo)電材料微觀尺寸對(duì)機(jī)體細(xì)胞代謝能力的影響等問題。