蘭大團隊《Advanced Science》開發果蠅仿生微針貼片，高效促治療

更新時間：2025-07-18

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周圍神經損傷（Peripheral nerve injury，PNI）是一種常見的外傷性疾病，常由車禍、戰傷、工傷和醫療事故等引起。PNI的典型臨床表現為受損神經所支配的區域出現感覺和運動功能障礙，其嚴重程度因損傷程度而異。這種疾病給患者帶來了極大的痛苦與不便，嚴重影響了他們的生活質量；同時，也給患者與社會帶來了沉重的經濟負擔。

PNI的傳統治療方法可分為手術治療和非手術治療兩類。非手術治療方法包括電刺激、磁刺激、激光光療等，而手術治療方法包括神經縫合術和神經移植術（包括同種異體移植和自體移植）。其中，自體移植術因其療效最佳，被認為是PNI治療的“金標準"。然而，目前的PNI傳統治療方法仍然存在較大的局限性，主要體現在以下兩個方面：自體移植術所需的供體神經來源有限，且術后存在潛在的致畸、致癌性等風險；此外，PNI并發的肌肉減少問題也會進一步影響功能恢復的效果。

針對以上兩方面，蘭州大學口腔醫學院范增杰教授團隊設計開發了一種具有海參仿生特性的微針神經導管（MNGCs），用于PNI及其導致的肌肉減少的協同高效治療。該MNGCs是由摩方精密 microArch^® S230 （精度：2μm）高精度3D打印設備加工模具后經PDMS翻模制備而成。相關研究成果以“Sea Cucumber-Inspired Microneedle Nerve Guidance Conduit for Synergistically Inhibiting Muscle Atrophy and Promoting Nerve Regeneration"為題發表在國際學術期刊《ACS Nano》上。蘭州大學口腔醫學院碩士研究生胡策文、劉斌為共同第一作者，蘭州大學口腔醫學院范增杰教授和康涅狄格大學化學與生物分子工程系孫陸逸教授為共同通訊作者。

海參是一種海生軟體動物，體型呈圓筒狀，體表外側長有規則排列的錐形狀疣足，內側則長有規則排列的條狀肌肉。海參的體壁柔軟，含有大量的膠原。膠原因具有不對稱的晶體結構，具有壓電效應。受此啟發，作者根據海參的生理特性和解剖特征設計了MNGCs。

MNGC由聚己內酯（PCL），還原氧化石墨烯（rGO）和納米氧化鋅顆粒（ZnO NPs）組成。其中，PCL為MNGCs的基質材料，使MNGCs具有良好的柔韌性與生物相容性；rGO和ZnO NPs分別賦予了MNGCs良好的導電性能與壓電性能，使MNGCs能產生并傳導適宜的電刺激（ES）。這是模仿了海參具有產生并傳導生物電的潛力的生理特性。同時，MNGCs的外側為微針（MNs）的針尖，內側為微通道；MNs可以刺入神經周圍肌肉并傳導ES，而微通道可以引導雪旺細胞（SCs）定向生長。這是模仿了海參具有錐形疣足和條帶肌肉的解剖特征。MNGCs植入體內后，因形變而實現力電轉換產生ES。在MNGCs的內側，ES與微通道共同使SCs定向高效遷移，促進軸突和髓鞘的新生進而促進神經的新生；同時，在MNGCs的外側，ES通過MNs向其插入的肌肉中傳導ES，進而抑制肌肉纖維減少。最終實現了PNI及其導致的肌肉纖維減少的高效協同治療。

圖一. MNGCs設計、制備以及協同治療的示意圖。

首先制備了具有良好導電性能和壓電性能的復合材料PG與PZG。MNGCs的基質材料——PCL原本是不具有導電性能和壓電性能的材料，向其中添加了rGO（PG）和rGO+ZnO NPs（PZG）后，復合材料的導電性能明顯提升，也具有了壓電性能。當rGO含量為2%時，其電導率為1.03*10^-3S/cm；而當ZnO NPs含量為2%時，其可輸出的電壓和電流的最大值分別為4.6 V和1.9 μA。這一優良的電學特性具有充足的潛力促進PNI及肌肉纖維減少的協同治療。又因為rGO和ZnO NPs具有潛在的生物毒性，通過MTT法對其在PCL中的含量進行了篩選，發現當rGO和ZnO NPs的含量≤2%，材料仍具有良好的生物相容性（見圖3-A&B）。因此，確定PG與PZG中 rGO和ZnO NPs的含量為2%，并進行后續實驗。

圖二. PG與PZG的電學性能。(A). rGO含量不同時PG的電阻率。(B). rGO含量不同時PG的電導率。(C).PZG的PFM振幅圖。(D)和(E). ZnO NPs含量不同時PZG的開路電壓。(F)和(G). ZnO NPs含量不同時PZG的短路電流。

研究團隊使用上述PCL，PG與PZG作為材料，通過模板法制備了MNGCs。如圖三所示，藍色的模板為制備MNs用的PDMS陰模。此PDMS陰模的制備過程如下：先使用摩方精密microArch^® S230 3D打印設備構建主MNs，再使用PDMS轉寫主MNs以獲得PDMS陰模。材料注入PDMS陰模后，使用摩方精密microArch^® S230 3D打印設備構建的黃色模板——塑料微通道模板，此微通道模板是直接由設備構建而來。MNs基底背側的微通道構建完畢且MNs冷卻后，將其取出并卷成管狀，即可獲得MNGCs。

圖三. MNGCs的制備流程。

隨后對MNGCs進行了理化組成、宏微觀形貌與力學性能的分析。FTIR，XRD首先證明了MNGCs中含有PCL和ZnO NPs，Raman不僅證明了MNGCs中含有rGO，且此rGO是被成功還原的。PCL在添加了rGO和ZnO NPs后，由疏水轉變為親水，且親水性較優秀，這有利于其生物應用。SEM證明了MNGCs中的MNs和微通道具有良好的微觀形貌，而MNGCs的宏觀形貌也與海參高度相似。MNGCs的導管主體部分均具有較好的拉伸性能，能夠穩定橋接神經而不斷裂；由PG和PZG制成的MNGCs的MNs針尖部分也具有較好的壓縮性能，能夠刺穿并插入肌肉中，為ES的高效傳遞創造條件。

圖四. MNGCs的表征。(A). MNGCs的FTIR圖譜。(B). MNGCs的XRD圖譜。(C). MNGCs的Raman圖譜。(D)和(E). 不同MNGCs的水接觸角照片及其定量分析。(F)和(G). MNGCs的MNs與微通道的SEM照片及其EDS分析。(H).MNGCs的數碼照片。(I)和(J).MNGCs的導管本體的拉伸試驗的應力-應變曲線及其楊氏模量。(K)和(I). MNGCs的MNs的壓縮試驗的試驗力-位移曲線及其位移量為0.75mm時的試驗力。

在體外層面對MNGCs促進PNI修復的效果進行了驗證，研究團隊發現微通道能通過限定SCs的分布來引導其定向生長增殖，而ES的促進作用和導電微環境的改善均有利于提升SCs的線性遷移速率，其中ES的促進作用更為明顯。上述兩方面的共同作用使得SCs能在MNGCs內部高效定向遷移，進而促進PNI的修復。

圖五. MNGCs促進PNI修復的體外效果。(A). PG的細胞毒性。(B). PZG的細胞毒性。(C). 微通道引導SCs定向生長的效果。(D). 雙重電學功能促進SCs遷移的效果。

研究團隊建立了大鼠的坐骨神經大范圍損傷模型，在體內層面對MNGCs協同緩解肌肉纖維減少和促進神經再生的效果進行了研究。首先研究了MNGCs緩解肌肉纖維減少的效果。對腓腸肌健側/患側進行了對比，發現PZG-MNGCs組的腓腸肌減少程度，不論是大體觀察狀態還是濕重比均接近自體移植治療的效果。Masson染色的結果，即PZG-MNGCs組的腓腸肌的肌纖維面積最高且膠原纖維面積低，也印證了這一結論。因此可以確定，PZG-MNGCs緩解PNI導致的肌肉纖維減少的效果優異。

圖六. MNGCs緩解肌肉減少的體內效果。(A). 患側/健側腓腸肌大體觀察的照片。(B). 患側腓腸肌的Masson染色圖片。(C). 患側/健側腓腸肌的濕重比。(D). 患側腓腸肌Masson染色的平均肌纖維面積。(E). 患側腓腸肌Masson染色的平均膠原纖維面積。

隨后研究了MNGCs促進神經再生的效果。通過對新生神經進行甲苯胺藍（新生軸突）和勒克索固藍（新生髓鞘）和CD31-IHC（新生微血管）染色，發現PZG-MNGCs組的神經再生水平接近自體移植治療組。

圖七. MNGCs促進神經再生的體內效果。(A). 新生神經的甲苯胺藍染色圖片。(B). 新生神經的勒克索固藍染色圖片。(C). 新生神經的CD31-IHC染色圖片。(D).新生神經中活躍SCs的密度。(E). 新生神經中髓鞘的密度。(F). 新生神經中CD31的密度。

最后研究了MNGCs促進神經再生的潛在機制。將NF-200（軸突）和S-100β（髓鞘）作為標記為進行IF染色，發現PZG-MNGCs組中NF-200和S-100β的表達水平接近自體移植治療組。這說明PZG-MNGCs主要依靠施加ES+改善導電微環境來促進軸突和髓鞘的再生，進而促進神經的再生。

圖八. MNGCs促進神經再生的潛在機制。(A). 新生神經的NF-200的IF染色圖片。(B). 新生神經的S-100β的IF染色圖片。(C). 新生神經中NF-200的密度。(D). 新生神經中S-100β的密度。

綜上所述，具有海參仿生特性的PZG-MNGCs能高效產生并傳導壓電ES，在確保穩定橋接缺損神經和可以向肌肉傳遞ES的前提下，通過內側的微通道共同促進SCs遷移以促進神經再生，同時將ES通過MNs傳遞至周圍肌肉，最終在協同緩解肌肉減少和促進神經再生中取得了相當接近自體移植治療這一“金標準"的治療效果。

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