ACS nano：智能響應人工神經水凝膠
現代柔性電子技術的發展使生物電子材料成為體內人工組織。由于水凝膠更類似于神經組織，功能性水凝膠已成為生物電子學的一個很有前途的候選者。與此同時，功能性水凝膠和活體組織的接口處于生物電子學的前沿。周圍神經損傷往往會導致癱瘓、慢性疼痛、神經紊亂甚至殘疾，因為它影響了大腦和身體其他部位之間的生物電信號傳輸。
近日，來自江蘇南京大學的沈群東教授團隊研制了一種具有光刺激反應和可拉伸性的導電聚合物水凝膠(CPH)來探索人工神經。近紅外光照射可提高CPH的電導率，促進生物電信號的傳導。當CPH被機械地延長時，它仍然具有很高的傳導耐久性，因此，可以容納運動中的神經組織的意外應變。相關工作以“Conductive Hydrogel for a Photothermal-Responsive Stretchable Artificial Nerve and Coalescing with a Damaged Peripheral Nerve”為題發表在期刊ACS Nano。
圖 1高柔性和近紅外響應導電聚合物水凝膠替代受損的周圍神經示意圖
通過聚苯胺(PANI)和聚丙烯酰胺(PAM)的共聚，制備了導電性能優良、力學性能與神經組織相似、生物相容性好的堅韌導電水凝膠。PAM的酰胺鍵可以與苯胺分子相互作用，可原位吸附并誘導苯胺聚合，形成透明的PAM/PANI導電凝膠。冷凍干燥后，用掃描電鏡(SEM)觀察CPHs的橫斷面形態。與典型的水凝膠類似，CPHs表現出三維微孔泡沫網絡。有利于三維水凝膠結構內的細胞穿透和組織形成(圖2B,C)。與此同時，由于PANI的摻雜，制備型CPHs表現出良好的電學性能，即使它們被延長到原來長度的三倍(圖2E,F)。
圖2 導電聚合物水凝膠的制備及表征
如圖3所示,CPH的電阻率(0.2 - 0.3Ω·米)遠優于PAM，這是由于聚苯胺的摻雜。電化學阻抗譜(EIS)檢測了CPH在PBS中的電活性。如圖3B所示，PAM和CPH的Nyquist圖在高頻區域呈準半圓形，說明PAM和CPH都具有電荷轉移的能力。此外，還模擬了CPH在體內替代受損神經的可行性和生物電信號在神經中的傳導。如圖3E所示，當神經完全受損時，生物電信號無法傳輸。將受損神經與CPH連接后，可恢復生物電信號傳輸功能。
圖3 CPH的物理和電學性能
隨后，作者選擇離體的坐骨神經和腓腸肌，以驗證CPH是否具有良好的導電性，并可作為體外植入式神經替代物。CPH替代神經組隨著刺激電壓的升高與坐骨神經組呈現相同的升高趨勢(圖4D)。另外，CPH置換術后坐骨神經的神經傳導時間(CT)與完好的坐骨神經相似，提示CPH可在功能上替代受損神經(圖4E)。這一現象進一步證明CPH可以替代受損神經，恢復繼發性感覺功能。
圖4 體外用CPH替代蟾蜍坐骨神經
為模擬外周神經損傷，采用臀背外側肌分裂切口暴露坐骨神經，切除10 mm坐骨神經。然后，使用為種植體準備的線性CPH，將損傷神經與神經縫合連接。如圖5B、C所示，經單相脈沖刺激后，橫切神經組的CMAPs峰對稱性與正常神經有顯著差異。而CPH替代組與正常神經具有相似的峰對稱性，說明CPH可以替代受損神經實現生物電信號的轉導。
圖5 在嚙齒動物模型中用于坐骨神經的外科植入、手術和置換
綜上所述，作者通過PANI和PAM的共聚制備了具有優良導電性、力學性能與神經組織相似、生物相容性好的韌性導電CPH。CPH的這些優異性能成功地在體外替代了受損的蛇腳蟾坐骨神經。此外，我們的體內數據顯示，植入CPH作為高導電橋可以替代坐骨神經的缺失，表明CPH可以作為一種潛在的生物材料，在組織工程中替代受損的周圍神經。
信息來源: EngineeringForLife
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