研究者首先通过聚苯胺（PANI）和聚丙烯酰胺（PAM）的共聚，制备了一种具有优异导电性、力学性能类似于神经组织的、具有良好生物相容性的韧性导电水凝胶。PAM的酰胺键可以与苯胺分子相互作用，苯胺分子可以原位吸附并诱导苯胺聚合，形成透明的PAM/PANI导电凝胶（图1A）。在近红外光（NIR）照射下，聚苯胺可以增强周围神经的生物电信号，对修复和替代受损的周围神经有重要作用。聚丙烯酰胺/聚苯胺导电聚合物水凝胶（CPH）的生物相容性和电活性已被成功用于替代损伤超过10mm的周围神经。研究者通过扫描电镜（SEM）观察了冻干后的水凝胶的截面形貌，CPHs呈现出多孔网络，这些微孔结构为物质交换和细胞粘附提供了足够的表面积，有利于三维水凝胶结构中的细胞穿透和组织形成（图1B，C）。CPH交联密度高，容易与玻璃等光滑表面分离，可粘附于不规则生物组织表面，如手指（图1D），这种特性将有利于在体内替代受损的神经。同时，由于PANI的掺杂，制备的CPH在被拉伸三倍的情况下仍可以显示出良好的导电性能（图1E，F）。
如图2A所示，CPH的电阻率（0.2-0.3ω·m）明显优于PAM，这是由于PANI的掺杂。CPH的电阻率优于一些典型的导电混合水凝胶（ω·m）。同时，CPH的电阻率甚至优于神经组织（5-10ω·m），这表明CPH可以作为周围神经损伤的替代物。研究者用电化学阻抗谱（EIS）检测了CPH在PBS中的电活性。如图2B所示，PAM和CPH的Nyquist图在高频区域呈准半圆形，这表明PAM和CPH都具有电荷转移的能力。由于PAM的高亲水性，PAM在PBS中的溶胀率约为%，而CPH与PANI接枝后的溶胀率约为%（图2C）。虽然CPH的溶胀率降低，但在损伤的神经替代物中仍有有效的传质空间。随后对水凝胶的力学性能进行了研究。在整个0.1-10Hz的频率范围内，CPH的存储模量（弹性模量，G’）远远高于损失模量（粘性模量，G"），表明CPH是一种稳定的弹性体。而且，CPH的弹性模量约为Pa，在神经组织模量（-Pa）范围内，适合生物植入（图2D）。此外，还利用有限元分析模拟了CPH在体内替代损伤神经和在神经中传导生物电信号的可行性。髓鞘能将神经与导电性体液隔离，促进生物电信号的传递。如图2E所示，当神经完全受损时，生物电信号无法传输。由于PANI对近红外光有反应，可以在CPH替代受损的周围神经时，利用近红外光照射促进生物电信号的传导。如图2F所示，当CPH替代受损神经时，近红外光可以减少CPH中生物电信号的丢失。从图2F中电流密度分布的统计可以看出，近红外光照射后，电流密度从0.4A/m2增加到0.5A/m2（图2G）。研究者进一步探讨了光对CPH电性能的影响。如图2H所示，CPH表现出电流响应，这是由于其多孔结构，便于快速的电子输运。CPH辐照60ms后，其电流从1.95nA增加到2.3nA，进一步证明了CPH具有相对的敏感性对近红外光的响应。有限元分析结果与实验结果相同，电流可增加60%，这意味着CPH的电阻可降低40%。同时，在不同拉伸条件下，CPH电阻率在NIR光照射下总体呈下降趋势，去除光照后又恢复到原来的水平（图2I）。
实验装置方案如图3A所示，结果发现在额外电压的刺激下，通过图3B的肌张力能量传感器可以清晰地观察到腓肠肌的收缩。完整的坐骨神经受到0.1V的额外刺激，腓肠肌的最大张力是1.7g和腓肠肌的张力完全消失后，坐骨神经切断。受损的坐骨神经被CPH连接，感叹腓肠肌收缩的功能,没有显著差异的最大张力腓肠肌完整坐骨神经和CPH坐骨神经连接（图3C）。此外，腓肠肌收缩的程度也会受到刺激电压强度的影响。CPH替代神经组与坐骨神经组随着刺激电压的增加呈现相同的增加趋势（图3D）。此外，CPH置换后的坐骨神经的神经传导时间（CT）与完整的坐骨神经相似，表明CPH可以在功能上替代受损的神经（图3E）。这一现象进一步证明了CPH可以替代受损的神经，恢复感觉功能，在体内应用CPH替代受损神经时，在机体活动后会拉伸受损神经。为了进一步证实CPH在拉伸后是否能保持电导率，研究者使用不同拉伸长度的CPH来评估CPH替换后腓肌的收缩情况。如图3F所示，腓肠肌收缩张力随着拉伸长度的增加而减小。将CPH拉伸至1.3倍时，腓肠肌收缩张力保留90%以上乘以原始长度。研究者知道，CPH植入人体后拉伸程度不超过1.3倍。这些结果表明，CPH在体内使用时具有良好的导电性。由于CPH具有对光反应后电阻率降低的特性，研究者进一步探索CPH的这种特性是否可能通过光照射增强神经信号。研究者发现，在近红外光（nm）下腓肠肌产生的张力明显高于暗光或蓝光下（图3G）。此外，由于近红外光对组织的穿透性较好，将有可能利用近红外光增强神经传导，替代体内受损的神经。
然后，使用预备植入物的线性CPH与神经缝合连接损伤神经（图4A）。为了测试CPH替代损伤神经的能力，研究者使用复合肌肉动作电位（复合肌肉动作电位，CMAP），即同一神经束内同步激活运动神经元的联合电位来测量胫骨前肌的收缩力。如图4B、C所示，经单相脉冲刺激后，横断神经组CMAP的峰值对称性与健康神经明显不同。相比之下，CPH替代组与健康神经的峰对称性相似，说明CPH可以替代损伤神经，实现生物电信号的转导
同时，CMAP的幅值与坐骨功能指数（SFI）具有很强的正相关，SFI被广泛认为是坐骨神经功能的评估指标。可以直观地观察到，CPH替代组的足印比横断神经组更完整（图4E）。统计结果显示，CPH替代组SFI随时间增加，而实验过程中横切组SFI无变化（图4F）。同时，胫骨前肌CMAP的相对幅值和术后8周SFI的统计结果与术后4周的结果基本一致，说明CPH具有长期植入体内的潜力。SFI和CMAP幅值均表现出相似的恢复趋势，提示CPH可在体内替代损伤的神经，恢复部分受损的功能。
为了验证CPHs的生物相容性，研究者将神经干细胞（NSCs）和N2a细胞与CPH共培养7天，用活/死染色法测定细胞活力。结果表明，CPH对NSCs和N2a均无细胞*性，适用于进一步的体内神经置换。在与CPH接触的神经界面处或横断神经处进行HE染色和甲苯胺蓝染色，研究CPH的生物相容性。与健康神经组织相比，HE染色结果显示，CPH替代组和切断神经组的炎症反应和纤维化最小，而切除神经组的炎症更严重。甲苯胺蓝染色结果显示，CPH替代组的髓鞘内部比横断神经组更大、更厚（图5A、B）。星形胶质细胞特异性胶质纤维酸性蛋白（GFAP）是星形胶质细胞活化的标志。组织中GFAP的升高也是神经系统对损伤反应的标志信号，有利于神经损伤的修复。CPH替换之后的一个月,GFAP的表达水平是类似于坐骨神经组和显著的调节与神经以及组相比,这不仅证明CPH有良好的生物相容性，而且CPH可能促进周围神经的修复。降钙素基因相关肽（CGRP）广泛分布于中枢神经系统和周围组织。高水平的CGRP通常在损伤部位的近端残端表达。如图5D所示，CGRP的表达水平与坐骨神经组相似，低于横断神经组，说明CPH置换后对损伤神经组织无明显刺激作用。
本研究由来自于南京大学的朱泽章教授团队、沈群东教授团队和南京工程学院的王倡春教授团队合作完成，并于年9月发表于ACSNano。
论文信息：MeiDong,BoShi,DunLiu,Jia-HaoLiu,DiZhao,Zheng-HangYu,Xiao-QuanShen,Jia-MinGan,Ben-longShi,YongQiu,Chang-ChunWang*,Ze-ZhangZhu*,andQun-DongShen*.ConductiveHydrogelforaPhotothermal-ResponsiveStretchableArtificialNerveandCoalescingwithaDamagedPeripheralNerve.ACSNano,14,?.供稿：丁路光审校：朱彩虹编辑：孟庆琛预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇