神经导管内壁纵向沟槽接触引导神经轴突生长的机理研究

Nerve conduit has demonstrated its promising results in nerve injury rehabilitation, and current investigations are focusing on how to further improve the efficiency of nerve conduits. In this study, the polymeric nerve conduit will be fabricated by fiber spinning process, while aligned grooves with different dimensions on the inner surface of nerve conduit will be manufactured using a smart spinneret. The nerve conduits with aligned inner grooves will be applied to in vitro neuron outgrowth, so the influence of three dimensional (3D) groove size, i.e. groove width/depth, on axonal outgrowth can be systematically studied. A physical model based on the continuum mechanics is also needed to describe the axonal outgrowth on the substrate with 3D topography. The model will use the viscoelastic constitutive law to describe the material property of neuron, and the effects of friction and molecular bonds between axon and substrate will be taken into account. Furthermore, the driving force from grow cone contraction on axonal extension will be modeled. The model of axonal outgrowth on the grooved substrate then will be numerically solved using the finite element method, and a comparison of the numerical and experimental results will be discussed. This study aims to experimentally and numerically investigate the mechanism of how aligned grooves on the inner surface of nerve conduit can guide the nerve outgrowth, and what is the influence of groove size. Based on this study, the geometry of polymeric nerve conduit can be optimized and the efficiency of nerve conduits will be improved.

利用神经导管来修复周围神经系统损伤是当前最具前景的神经修复技术，而如何提高神经导管的修复效率则是研究的焦点。本课题采用纺丝的方法来制备聚合物神经导管，并自行设计新型喷丝头，在神经导管内壁构建纵向的沟槽结构。进而通过神经细胞在神经导管内的生长实验，系统性地研究神经导管内壁不同尺度的沟槽结构（沟槽宽度、深度等）对神经轴突生长的引导作用。同时，以连续介质力学为基础，构建神经轴突在三维基底上生长的物理模型：神经细胞的材料性质采用粘弹性的本构关系，并通过摩擦和生物键的形式来描述神经轴突与导管内壁的相互作用，同时模拟生长锥在神经轴突生长中的驱动作用。通过有限元算法获得神经轴突在神经导管内壁的沟槽结构上生长的数值结果，并与实验结果进行对比。本课题将从实验研究和数值模拟两方面，全面地揭示神经导管内壁沟槽结构对神经轴突生长的接触引导作用，从而为改进神经导管结构、优化神经导管修复效率提供可靠的依据。

本文主要研究目的为开发新型神经导管，从而修复周围神经系统损伤；而研究的重点为在传统的聚合物神经导管内壁引入接触性引导结构，从而进一步提高神经导管的修复效率。本文的研究内容和成果主要包括：.1..采用基于相变原理的中空纺丝技术，搭建神经导管制备平台，特别是自行设计并加工了新型喷丝头，从而在神经导管内壁构建了几何尺寸为100 μm的微沟槽结构。.2..系统性地研究了中空纺丝技术中的各个工艺参数（聚合物溶液和非溶剂的流速、聚合物溶液浓度、喷丝头结构）对神经导管宏观和微观结构的影响，消除了加工过程中的失稳现象，提高了对神经导管内壁微沟槽结构（沟槽宽度、深度等）的加工精度。.3..构建理论模型，通过分析聚合物溶液/非溶剂的界面张力、聚合物溶液粘性以及聚合物溶液和非溶剂的流速之间的相互作用，获得神经导管内壁微沟槽结构演变的主要机制。.4..通过鸡前脑细胞和PC-12细胞在神经导管内的体外生长实验，系统性地研究神经导管内壁不同尺度的沟槽结构（沟槽宽度、深度等）对神经细胞生长的引导作用；发现了沟槽宽度对神经细胞生长的明显引导作用。.5..以连续介质力学为基础，构建神经轴突在三维基底上生长的物理模型：神经细胞的材料性质采用粘弹性的本构关系，并通过摩擦和生物键的形式来描述神经轴突与导管内壁的相互作用，同时模拟生长锥在神经轴突生长中的驱动作用。通过有限元算法获得神经轴突在神经导管内壁的沟槽结构上生长的数值结果，并与实验结果进行了可靠的对比，揭示了生长基地的几何结构对神经细胞生长的作用机理。. 本课题构建了新型的神经导管，并系统性地分析了加工工艺对神经导管结构的作用；同时从实验研究和数值模拟两方面，全面地揭示神经导管内壁沟槽结构对神经轴突生长的接触引导作用，从而为改进神经导管结构、优化神经导管修复效率提供可靠的依据。此外，在研究过程中，还开发了相应生物材料的3D打印技术，为后续的生物型神经导管的开发奠定了基础。