体内自发脉冲电场响应的多级仿生神经修复材料构建及促进周围神经缺损的修复及功能重建

Focusing on the challenges of the slow-growing of nerve cells and the low degree of myelinization in the repair of peripheral nerve defects, and combining the environmental features of nervous tissues, this project aims to construct a nerve-inducing core-shell structure repairosome, which could automatically give pulse current in human body, and subtly imitate the basilar membrane in composition and structure. The first is to fabricate a cell membrane shell material, which could constantly give potential difference along the direction of nerve growth after implantation. Secondly, based on the emulational and digital reconstruction of the nano-micro structures of living nervous tissues, and by adjusting the frequency, pulse width and polarization direction, we will prepare a template which imitates the nano-structures of the inner walls of nerve base membrane tube. After that, based on extracellular matrixc, a bionic, multilevel-structured, biological compound core body will be constructed byadjusting the chemical composition and in-situ reaction conditions.

如何设计具有神经组织的成分、结构和特异电生理功能等多级仿生修复材料，有效促进缺损神经的快速再生是临床上的难点和研究热点。本课题首先研究周围神经纤维微纳结构，将具有仿基底膜结构的细胞外基质源性材料与生物相容的电化学活性电池膜结合，构建具有体内自发脉冲电场作用的“壳-芯”结构神经缺损修复材料,其中外壳为能沿神经生长方向持续产生电势差的高分子复合凝胶态电池膜管，芯体为仿神经基底膜管内壁结构且有半导体特性的生物高分子复合材料；研究比较壳、芯二维和三维组装后在体外产生的定向、定量自发间歇脉冲电流与微纳结构接触诱导复合效应对雪旺细胞、背根神经节和间充质干细胞的增殖、诱导分化和定向生长的调控作用；最后建立和验证在体内产生脉冲电流并促进大段周围神经缺损的动物模型和作用机制。本项目创新性地结合神经再生所需成分、微结构和电生理作用构建新型功能复合材料，为实现神经组织快速定向再生提供新的理论和实验基础。

设计和研发具有神经组织的成分、结构和特异电生理功能等多级仿生修复材料，有效促进缺损神经的快速再生和功能重建是临床上的难点和研究热点。本项目通过神经再生过程中特异性细胞外基质的成分、基底膜结构形态和神经电生理等特点，设计和构建具有电活性和氧化还原反应活性的多形态新型复合电极膜材料，实现在体内环境的自发电效应和神经修复。首先分别利用天然材料或静电纺丝的方法，通过天然纤维素的修饰改性和纺丝条件控制，制备具有类细胞外基质结构的复合膜，并原位复合聚吡咯、聚多巴胺以及聚噻吩等导电高分子赋予其导电性，获得生物相容性的柔性导电膜材料；系统研究了基于体内成分氧化还原反应的自发电体系及其实验设计，将导电基底膜与生物燃料电池发电原理相结合，通过浸渍、离子溅射、原位反应等方法分别设计用于葡萄糖氧化和氧还原的单电极膜，以及制备能够同时发生氧化还原反应，产生自发电流的自发电膜；此外将自发电Pt-BC/PPy-NCNTs复合膜用于背根神经节的培养，对该复合膜的生物相容性以及自发电刺激对DRG轴突生长速度和取向影响进行系统研究，该表明复合膜具有很好的生物相容性的同时能够很好地引导DRG轴突的取向快速生长。另外通过乳液分离，静电沉积，自聚合等工艺方法和条件控制，分别将生物活性分子赖氨酸和多巴胺与多孔微球复合设计和制备了功能化三维多孔微载体，具有可控的粒径，孔径，孔隙率和导电性，以及优异的细胞亲和性和迁移性。最后利用大鼠的坐骨神经缺损模型，分别研究和评价了导电支架、载干细胞微载体和三维“壳芯结构”自发电神经支架对神经再生的结构，组织学形态和电生理信号的影响，表明材料的导电性、功能化微载体负载干细胞和自发电效应可有效此君周围神经缺损的再生修复和功能重建。该研究为材料体内自发电以及体内自发电电刺激促进周围神经再生提供了新的实验方法和理论依据，对于周围神经缺损再生修复理论研究和临床应用具有重要的科学意义。