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丝素蛋白水凝胶——促神经再生的新工具
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【研究背景】 用人工神经移植物修复受损的周围神经得到了广泛的研究，但成功修复长距离周围神经损伤（>40mm）仍然是一个挑战。已发现在人工神经移植物中引入定向微观结构可以诱导神经细胞的定向迁移和生长，还可以引导穿过受损区域的轴突快速生长，从而促进神经的修复和功能重建。据报道，丝素蛋白可以促进雪旺细胞增殖，还可以支持神经元生长，用于中枢神经修复。南通大学杨宇民教授和凌珏副研究员报道了具有排列的微槽结构的纯SF水凝胶，具有促进雪旺细胞生长和引导神经突萌发以促进周围神经再生的能力。该工作《Pure-silk fibroin hydrogel with stable aligned micropattern toward peripheral nerve regeneration》发表在Nanotechnology Reviews上。 【研究内容】 蚕丝经脱胶—溶解—透析—冻干后得到SF粉末，将SF粉末溶解在HFIP中制得TPSF水凝胶。Topo@TPSF水凝胶则是将SF溶液转移到具有表面脊/凹槽微观结构的PDMS印章的模具中凝胶化后得到的。 TPSF水凝胶在固化后可以均匀地贴合各种形状，具有柔性机械性能，即使在切割、弯曲和打结之后也是如此。TPSF水凝胶具有多孔结构，这对于水凝胶用作生物材料至关重要。在1624 cm−1处观察到SF的特征峰，代表酰胺I区的β片。 Topo@TPSF水凝胶显示出规则排列的微沟结构，宽度为10、30和50μm。将水凝胶浸入PBS中24小时。微图案保持良好形状，边缘清晰，表明Topo@TPSF水凝胶具有良好的稳定性。水凝胶的抗压强度在0.15-0.2 MPa范围内，TPSF和Topo@TPSF的杨氏模量分别为2.7±0.7和2.4±0.3 MPa。这些结果表明，这些水凝胶在人体组织杨氏模量（1-100 kPa）范围内具有理想的机械性能，可用于潜在的体内应用。 水凝胶的接触角均为<90°，表明水凝胶表现出良好的亲水性。三种不同尺寸沟槽的水凝胶润湿性没有显著性差异。TPSF和Topo@TPSF水凝胶都具有高孔隙率，这允许在组织生长过程中交换营养和代谢。 研究了雪旺细胞在TPSF水凝胶和沟槽宽度为30 μm Topo@TPSF水凝胶上的行为，两种水凝胶都具有生物相容性（细胞活力：>95%）。Topo@TPSF水凝胶上的雪旺细胞显示出以更小的取向角（7.2±2.6°）排列生长，而TPSF上的细胞以随机方向扩散。 轴突沿支架方向快速再生是修复长距离神经缺损的关键。为了评估沟槽宽度为10、30和50 μm Topo@TPSF水凝胶的引导潜力，在水凝胶上培养 DRG 神经元，并评估这些水凝胶上的神经突体外延伸。粘附在Topo@TPSF水凝胶上的神经元都表现出沿微槽方向广泛且排列整齐的神经突萌芽。沟宽度为30μm的Topo@TPSF水凝胶上神经元的平均轴突长度远长于其他尺寸的水凝胶上的神经元轴突长度，且在引导神经突发芽时表现出最有效的能力，具有最低的神经突取向角（<10°）。相比之下，粘附在TPSF水凝胶上神经元的神经突向各个方向延伸，轴突长度远短于Topo@TPSF水凝胶。这些结果表明，Topo@TPSF水凝胶具有促进轴突生长和引导神经突萌发的强大能力，可能适用于修复长距离周围神经损伤。 【结论】 该研究开发了一种不含化学交联剂的高强度微图案SF水凝胶。该水凝胶具有优异的机械性能，良好的柔韧性和高强度。在生物相容性方面，该水凝胶具有良好的亲水性，支持细胞附着和细胞存活。具有排列微槽结构的水凝胶可以成功调节雪旺细胞的生长，促进轴突生长，并引导神经突萌芽。因此，这种新型SF水凝胶将为周围神经再生提供一种有前途的工具。 【通讯作者介绍】 杨宇民（yangym@ntu.edu.cn），南通大学教授、博士生导师。长期从事医学组织工程与生物材料教学和科研工作，特别是在植入人体生物材料的制备、仿生构建、性能优化、功能修复、降解及功能调控、材料生物学机制等方面进行了系统深入研究。研发的医用人工神经移植物获得国家三类医疗器械产品注册并应用于临床。主持参与国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点、国家基金委面上项目等国家级课题近20项，以通讯/第一作者在本领域权威期刊如Science Advances、Nano Letter、ACS Nano、AFM、Chem Engineer J、Bioactive Materials、Biomaterials等发表SCI论文130余篇，被引用6000余次。 凌珏（jl2016@ntu.edu.cn），南通大学副研究员。主要研究方向包括:生物荧光探针、智能生物材料、光敏材料、组织修复材料等。在NatureChemistry、ChemistryWorld、ChemistryViews、MaterialsToday、Chem.Sci.和Chem.Commun.等国际高水平期刊上发表研究成果。 【文章信息】 Xinyi Gu , Xiaoli Chen , Xiaoxuan Tang , Zhihao Zhou , Tingting Huang , Yumin Yang， Jue Ling. Pure-silk fibroin hydrogel with stable aligned micropattern toward peripheral nerve regeneration. Nanotechnology Reviews，2021. 原文链接： https://doi.org/10.1515/ntrev-2021-0002 |
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