AFM封面：4D动态支架以类二级助推火箭方式加速神经再生

168 4D Oriented Dynamic Scaffold for Promoting Peripheral Nerve Regeneration and.pdf

因外伤、感染等原因引起的外周神经损伤日益常见，而外周神经再生过程有两个重要阶段：前期的细胞增殖，中期的神经分化。这两个阶段相互影响，缺一不可，能否开发一种新型支架前期帮助细胞快速增殖，待到再生中期时再次助力其快速分化呢？

近期，浙江大学医学院附属口腔医院俞梦飞教授、王慧明教授团队和浙江大学机械工程学院贺永教授团队合作，提出了4D定向动态支架新思路，实现了对神经再生中增殖和分化两个阶段施加精确调控。早期，通过支架的大间距定向结构为细胞增殖提供宽广跑道；中期，动态调控支架上定向结构变狭窄，进一步提供结构及机械力的引导加速神经分化；从而达到类多级火箭接力式加速神经再生目的。

基于形状记忆聚合物所开发的4D动态支架在植入后，通过施加温度刺激即可调控支架收缩可实现神经分化阶段的体外无创调控。大鼠大间距外周神经缺损模型的修复实验可达到了近自体神经移植的修复效果，具有较高的临床应用潜力。相关工作“4D Oriented Dynamic Scaffold for Promoting Peripheral Nerve Regeneration and Functional Recovery”发表于《Advanced Functional Materials》杂志，并被选为封面论文。

封面图片 类多级火箭接力式4D定向动态支架促进周围神经再生和功能恢复

图1 整体研究思路

分段调控神经元命运，高效促进外周神经再生

在外周神经损伤后，神经元可在适当的局部微环境中存活和增殖；随后，其可以分化、成熟、并促进轴突出芽、延伸以快速穿过缺陷区域，最终完成神经信号的传递以及神经功能的恢复。因此，要实现出色的神经功能恢复，需要对外周神经再生过程中的神经元的两个独立阶段（增殖和分化）进行单独且精确的控制。

分段调控神经元不同功能阶段的定向动态表面的构建

形状记忆聚合物（SMP）是一类能够感知外界刺激并具有刺激响应性的新型生物材料，研究人员以聚己内酯（PCL）为基础构建出了具有良好的形状记忆能力的聚己内酯二丙烯酸酯（PCLDA），并通过近场直写构建了各种微观形貌表面模型，最终以PCLDA为基础构建出了个性化微拓扑形貌表面。随后通过对比未成熟神经元细胞在各个静态微拓扑形貌表面上的行为与命运，最终选中了两种不同宽度的微沟槽表面作为动态表面的两种状态。

图2 动态表面的构建以及微拓扑形貌的选择

定向动态表面分阶段调控未成熟神经元细胞的行为与命运

团队在构建的动态表面上接种未成熟神经元细胞，并以静态表面作为对照，结果显示动态表面在初期基于宽敞的微沟槽结构，为未成熟神经元细胞提供了“更宽阔的跑道”，更好地促进未成熟神经元细胞的黏附与增殖；而在表面未成熟神经元细胞数量累积到足够后，基于简单的外部热刺激，动态表面即可完成形变。其基于细窄的微沟槽结构以及形变产生的机械力学刺激，为未成熟神经元细胞提供了“更合适的跑道以及起始助推力”，能更好地促进未成熟神经元细胞的定向排列、分化、成熟、轴突形成与延伸，最终在体外形成了互相堆叠，定向排列、分化良好且轴突伸长的粗壮神经元细胞束，为体内实现神经高效再生提供了坚实的基础。

图3 动态表面分段精准调控未成熟神经元细胞的行为与命运

机械刺激促进未成熟神经元细胞分化增强以及轴突延伸的机制探索

机械刺激对于外周神经的发生发育以及缺损修复都极为重要。团队通过深度转录组学测序，发现了新型内源性机械门控离子通道相关基因Piezo1在此过程中起到了关键性作用，随后通过进一步地分析以及一系列抑制、过表达实验，最终证实形变介导的机械刺激可激活Piezo1并介导钙离子内流，内流的钙离子可激活钙信号通路枢纽基因Camk2b，最终促进未成熟神经元细胞的分化、成熟、轴突形成与延伸。

图4 机械刺激调控未成熟神经元细胞行为与命运的机制探索

大间距外周神经缺损修复的应用检验与探索

团队构建了4D定向动态支架并用于大鼠大间距坐骨神经缺损（15mm）修复中，并在术后第二周基于功能恢复情况给予大鼠局部温度刺激以完成动态微形貌转变，结果显示4D定向动态支架可促进大鼠坐骨神经形态再生与功能恢复，并可在术后18周达到近自体神经移植的修复效果，具有较好的临床应用前景。

图5 图6 4D定向动态支架用于大鼠大间距坐骨神经缺损模型修复

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305827