基于相分离3D打印和电磁感应技术的神经引导导管特性研究

《Materials & Design》：Research on the characteristics of nerve guidance conduits based on phase separation 3D printing and electromagnetic induction technology

轴突定向神经引导管道的制备与电磁感应调控研究。采用相位分离3D打印技术制备具有微沟槽结构和高电导率的PCL/MXene复合神经引导管道（ARSR-NGC），通过电磁感应实现非侵入式电刺激。体外实验表明，该管道使PC12细胞轴突定向率提升至54.56%，轴突长度增加31%，细胞密度提高1.7倍，同时满足12.78 MPa的机械强度和0.70 N的缝线固定强度要求。

　　这项研究聚焦于解决外周神经损伤（PNI）这一在临床实践中高度复杂的问题。外周神经损伤通常由创伤、自身免疫异常或外科手术引起，其修复过程面临诸多挑战，尤其是如何有效促进轴突的定向再生以及功能性突触的重新连接。目前，传统的修复策略如自体神经移植虽然能够在一定程度上恢复神经的连续性，但存在供体神经资源有限、供体部位并发症高以及尺寸匹配度差等缺点。因此，人工神经导管（NGCs）作为一种新型的神经修复材料，因其能够提供物理引导和导电信号，而被广泛认为是增强组织再生的有效手段。

神经导管的内部表面拓扑结构在调控神经元排列和功能表型方面发挥着关键作用，通过接触引导机制，能够显著影响细胞迁移、增殖和轴突的定向生长。然而，传统制造技术在构建微米级的物理引导结构方面存在工艺精度不足和生产成本难以控制等问题。近年来，生物3D打印技术在组织工程中逐渐崭露头角，其中相分离3D打印技术因其能够在制造过程中自主生成丰富的微孔结构，从而提升营养渗透和细胞附着能力，成为构建功能性神经导管的重要手段。

本研究创新性地将MXene作为导电材料，结合FDA批准的生物聚合物PCL，采用相分离3D打印技术制备出具有微沟槽结构和导电特性的神经导管（PCL/MXene NGCs）。MXene具有优异的导电性和生物相容性，其表面富含氧基（?O）和氟基（?F）等功能性基团，能够促进细胞附着并实现体内降解。MXene的降解产物无毒，且降解速率可控，使其成为构建导电支架的理想材料。通过将MXene与PCL混合，并使用二甲基亚砜（DMSO）作为复合墨水的溶剂，研究人员成功制备出具有优异导电性能的导管，其导电性达到5.68 ± 0.48 S/m，显著优于未添加MXene的PCL导管。

此外，研究团队引入电磁感应技术，实现对神经细胞生长的非侵入式电刺激。实验结果表明，该导管在旋转磁场作用下能够有效产生感应电流和电压，从而模拟天然神经组织的电生理微环境。在体外实验中，PCL/MXene导管显著促进了PC12细胞的轴突定向生长，其中54.56 ± 4.84%的轴突在0-30°范围内对齐，这一比例显著高于未进行电刺激的对照组。同时，电刺激还显著提升了细胞增殖速率，使轴突长度平均增加了约31%。这些结果表明，该导管不仅具备良好的导电性能，还能通过非侵入式电刺激手段，为神经细胞提供定向引导，从而加速神经再生过程。

在结构设计方面，研究人员采用轴向打印和螺旋缠绕相结合的双路径打印策略，制备出具有均匀壁厚和丰富三维宏观/微观孔隙的神经导管（ARSR-NGC）。这种结构设计显著提升了导管的径向压缩强度和轴向拉伸性能，满足了神经再生所需的生物力学要求。通过机械性能测试，ARSR-NGC在50次压缩循环后仍能保持83.59%的初始压缩应力，最大压缩力达到1.00 ± 0.29 N，远高于传统导管的性能指标。同时，其缝合保持力达到0.70 ± 0.23 N，优于其他结构的导管，表明其在临床手术中的适用性。

在细胞相容性方面，研究团队通过体外培养实验评估了不同MXene含量的导管对PC12细胞的影响。结果显示，当MXene含量为8%时，导管的导电性和细胞相容性达到最佳平衡，细胞存活率和生长密度均显著提升。而当MXene含量增加至12%时，细胞毒性效应明显增强，细胞存活率下降，表明过高的MXene含量可能对细胞产生不利影响。这一发现为后续优化导管的导电性能与细胞相容性之间的关系提供了重要依据。

为了进一步验证导管的生物功能，研究人员在不同表面结构和MXene浓度的导管上培养PC12细胞，并观察其生长情况。实验数据显示，具有微沟槽结构的导管显著提升了细胞的定向生长能力，其中在4%和8% MXene含量的导管中，细胞在沟槽底部和顶部均能良好附着并扩展，且轴突的生长方向与沟槽轴线保持一致。而无沟槽的导管则表现出随机生长模式，这表明微沟槽结构在引导神经细胞生长方面具有重要作用。此外，电刺激组的细胞生长情况优于非电刺激组，其细胞密度提高了约1.7倍，轴突长度也增加了约31%。这些结果充分说明，结合电刺激和物理引导的神经导管在促进神经细胞增殖和轴突延伸方面具有显著优势。

研究还探讨了电磁感应技术在神经再生中的应用潜力。通过将导管置于旋转磁场装置中，研究人员成功实现了非侵入式的电刺激，这种技术不仅避免了外部电极带来的感染风险，还为未来开发无线电刺激神经导管提供了理论基础。同时，导管的微孔结构为细胞提供了充足的附着位点，促进了营养物质的交换和细胞的持续生长，从而构建出有利于神经再生的微环境。

综上所述，本研究通过相分离3D打印技术制备出具有微沟槽结构和导电特性的神经导管，成功整合了物理引导和电刺激功能，为外周神经损伤的修复提供了新的思路。该导管在机械性能、导电性以及细胞相容性方面均表现出优异的特性，能够有效促进神经细胞的定向生长和增殖，为未来临床应用奠定了坚实基础。后续研究将进一步探讨该导管在体内的免疫反应、长期生物相容性及其在功能性神经再生中的潜力，以期实现更广泛的临床转化。