Advanced Healthcare Materials: 修复之光 ——光敏水凝胶构建仿生脊髓损伤修复支架

脊髓损伤是一种严重的中枢神经系统损伤,因神经组织难以自我修复与再生,其治疗一直是重大临床医学难题。研究证明,利用生物材料重建神经再生微环境,诱导神经干细胞向神经元分化,成为促进脊髓功能恢复最有临床应用前景的方法。水凝胶,特别是带有定向通道的多孔水凝胶,被认为是一种理想的神经再生支架材料,为神经再生提供所需物理微环境。然而,实现神经的再生与功能修复不仅仅需要物理的支架材料,还需要给予模拟细胞外基质的三维生物化学微环境,贯穿于组织发育的不同阶段,从而促进神经干细胞的增殖、神经元的生成、抑制胶质瘢痕的形成以及轴突的定向生长,最终实现神经功能的恢复。

光基于其非物理性接触、时空可控的操控优势,一直受到科研工作者的青睐。其中,光刻技术成为生物材料实现功能化、性质调控、构建异质动态微环境的重要手段,是其它如热、pH、电、磁等操控方法所无法相媲美的。因此,结合先进的三维可控光源技术(如光纤导入、激光直写、双光子激发等技术),在适用于脊髓损伤的多孔水凝胶导管支架上构筑神经再生微环境,就有望促进神经元的分化,实现脊髓损伤神经的再生与功能修复。

华东理工大学朱麟勇、包春燕教授和合作者第三军医大学周强教授应用光纤技术将黏附蛋白光可控固定在多孔水凝胶导管的内壁,结合肝素对生长因子的可持续性释放为神经干细胞构建有利生物物理化学微环境,从而促进导管内神经元的再生和大鼠横断脊髓损伤的修复。在该工作中,研究者通过冷冻聚合构建了以生物相容的聚甲基丙烯酸羟乙酯为主要组分的大孔水凝胶导管(MFH),便于支架内营养物质的输送;利用甲基丙烯酸酯化的肝素(HepMA)作为交联剂,实现碱性成纤维生长因子(bFGF)在多孔水凝胶中的缓释,以促进神经干细胞的生长与分化;利用苯叠氮光敏基团与蛋白的光标记反应实现支架导管内黏附蛋白的固定,光纤技术的使用规避了光因散射而穿透有限的技术问题,以诱导干细胞在导管内的定向黏附。在SD大鼠脊髓横断模型实验中,发现修饰后的水凝胶导管能够为神经干细胞提供有利的物理和化学微环境以促进神经干细胞的黏附和存活,并协同生长因子bFGF的缓释促进其向神经元分化以及与周边神经组织的整合,最终产生定向神经元组织,促进脊髓损伤的修复。

 研究者相信,此项研究中提出的蛋白光刻技术能够为组织工程构建合适的水凝胶支架提供新思路。相关工作以“Photosensitive Hydrogel Creates Favorable Biologic Niches to Promote Spinal Cord Injury Repair”为题,在线发表在Advanced Healthcare Materials ( https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adhm.201900013 )上,第一作者为博士生蔡正伟和甘翼博博士。

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