复合双网络取向水凝胶的制备及脊髓损伤修复研究

In the field of tissue engineering and regenerative medicine, the design and development of bioactive scaffold has become one of the most important research areas in recent years. Therefore, through simulating the microenvironment of neural tissue, the properties of neural tissue could be turned to the physical, chemical and bioactive signals of scaffold. And the scaffold is loaded with the signals effectively, to achieve the design and preparation of scaffold modelling after the tissue properties in vivo, then applied to the tissue regeneration. In this study, to biomimic and construct the nerve regeneration microenvironment, a kind of fibrin hydrogel with low elastic modulus and hierarchically aligned topology was fabricated through electrospinning and the concurrent molecular self-assembly process. Moreover, considering the pathological microenvironment in the spinal cord injury microenvironment, growth factor such as brain-derived neurotrophic factor (BDNF) will be composited into the aligned fibrin hydrogel, which could improve the bioactive and stem cell directional induction properties of the aligned hydrogel. According to the biophysical, biochemical, and biological cues of the “spinal cord regeneration microenvironment”, composite aligned hydrogel with multiple regulatory signals as the spinal cord regeneration materials will be developed, and then the relationship between the different cues for the spinal cord regeneration will be researched based on the multifunctional composite aligned hydrogel, at last to promote the nerve regeneration and functional reconstruction.

近年来，设计开发具有生物活性的支架材料已成为组织工程与再生医学领域最重要的研究热点之一。通过模拟神经组织微环境，将神经组织的多种特性转化为支架材料的物理、化学和生物活性信号。并将这些信号有效的负载到支架材料上，实现体内组织特性到支架材料的设计与制备，再应用到体内组织修复的转化过程。本研究中，采用液态静电纺丝结合分子自组装技术制备出具有低弹性模量和取向结构的纤维蛋白水凝胶，该水凝胶在力学性能和拓扑结构上模拟了神经组织微环境。在此基础上，综合考虑脊髓损伤后的病理微环境，在取向纤维蛋白水凝胶网络中通过多肽分子自组装的方法复合 BDNF等因子的功能片段，制备出更具生物活性和诱导作用的双网络复合取向水凝胶束。从物理、化学和生物学信号方面多方位构建“脊髓再生微环境”，开发出复合取向水凝胶脊髓损伤修复材料，研究其对脊髓损伤区域内源性细胞的调控以及轴突再生的作用，促进神经纤维再生和功能重建。

通过模拟神经组织微环境，将神经组织的多种特性转化为支架材料的物理、化学和生物活性信号。并将这些信号有效的负载到支架材料上，实现体内组织特性到支架材料的设计与制备，再应用到体内组织修复的转化过程。本研究中，采用液态静电纺丝结合分子自组装技术制备出具有低弹性模量和取向结构的纤维蛋白水凝胶，该水凝胶在力学性能和拓扑结构上模拟了神经组织微环境。在此基础上，在取向纤维蛋白水凝胶网络中通过多肽分子自组装的方法复合神经营养因子的功能片段，制备出更具生物活性和诱导作用的双网络复合取向水凝胶束。该水凝胶束具有良好的取向性，高含水量，与神经组织相似的力学性能以及合适的降解特性。体外研究表明该复合水凝胶可以诱导雪旺细胞的取向生长和神经营养因子的分泌。体内条件下，将该复合水凝胶成功修复了15 mm的坐骨神经损伤，实现了神经组织的再生修复。不论是神经纤维的再生还是肌肉组织的维持上，复合水凝胶纤维组都表现出极好的效果，而且其运动功能的恢复情况与自体神经移植相当。对于复合水凝胶的修复机制，应该是该复合水凝胶的植入可以激活再生神经中的PI3K/Akt和MAPK信号通路，并促进神经再生的相关的基因的表达。该复合水凝胶所具有的多种生物物理和生物化学的信号，为神经组织的再生提供了良好的再生环境。在大鼠的脊髓半切模型中，复合水凝胶更是表现出了多种信号的协同作用。具有促进损伤区域血管再生的同时，也促进了神经轴突的再生。电生理的实验结果和运动功能的评价结果均证明了复合水凝胶的植入可以极大的促进脊髓损伤的修复。本项目的研究为神经组织的再生修复提供了一种多模式的功能支架设计和制备方法，对神经组织修复具有临床价值。