全球每年约有500万人因交通事故、工伤、运动损伤等原因遭受周围神经损伤，不仅严重损害患者生活质量，更带来高达数百亿美元的医疗负担。尽管电刺激已被证实能够有效促进神经再生，但现有技术面临能量供应受限、长期稳定性差、需二次手术取出等临床难题。近日，武汉理工大学戴红莲教授、伍小沛博士和武汉大学中南医院喻爱喜教授合作，受电鳗放电机制启发，他们成功开发出一种完全可降解的自供能水凝胶神经导管，为周围神经修复提供了全新的解决方案。相关论文以“Eel-Inspired Self-Powered Hydrogel Nerve Conduit: A Fully Degradable Scaffold for Peripheral Nerve Repair”为题，发表在Advanced Materials上。
该研究团队开发了一种名为“电鳗仿生离子凝胶电池”的创新型水凝胶神经导管。该材料以壳聚糖、硫酸软骨素和羟乙基纤维素等天然多糖为原料，通过层层自组装技术，模拟电鳗电器官的多层结构，实现了机械性能与电导性能的协同优化。体外实验证实，该导管能稳定、持续地产生生物电信号；体内大鼠坐骨神经损伤模型研究表明，植入该新型导管的实验组在神经再生速度和功能恢复方面均显著优于传统神经导管。组织学和电生理分析进一步证实，该电池产生的微弱电流能有效激活施万细胞、引导轴突有序生长并促进髓鞘形成。
图1 | 电鳗电器官的形态特征与功能机制及自供能神经导管的构建。 （A）电鳗的解剖结构。（B）电细胞产生电压的机制。（C）阴离子选择性水凝胶和阳离子选择性水凝胶合成的分子式。（D）EE-iHB产生电压的机制。当水凝胶未接触时，未检测到电压（上图）；机械接触（下图）允许离子通过交替的离子选择性膜，从而产生电势。（E）EE-iHB的制备。（F）电刺激在神经组织修复过程中激活的信号通路示意图。
研究团队首先解决了传统神经导管材料疏水性强、生物相容性不足的问题。他们将甲基丙烯酰化壳聚糖掺入聚己内酯基质中，通过静电纺丝技术制备出高亲水性薄膜。实验表明，当壳聚糖含量达到1%时，水接触角从124.4度骤降至24.9度，亲水性大幅提升，同时拉伸应力和杨氏模量分别达到997.3 kPa和82.5 MPa，兼顾了优异的机械强度。扫描电镜图像显示，壳聚糖的掺入并未改变聚己内酯纤维的微观形貌，纤维直径稳定在0.41至0.46微米之间。这些改良后的薄膜被卷绕在中空管上，构成了神经导管的主体结构。
图2 | PCL-CSMA电纺膜和水凝胶的制备与表征。 （A）静电纺丝神经导管制备示意图。（B）不同CSMA掺杂比例的PCL电纺膜扫描电镜图像。（C）不同CSMA掺杂比例的PCL电纺膜水接触角。（D）不同CSMA掺杂比例的PCL电纺膜纤维直径统计分析。（E,F）不同CSMA掺杂比例PCL电纺膜的应力-应变曲线和拉伸模量（n=3）。（G,H）不同浓度QCS水凝胶的应力-应变曲线和压缩模量（n=3）。（I,J）不同浓度HEC水凝胶的应力-应变曲线和压缩模量（n=3）。（K-M）CS（K）、HEC（L）和CSA（M）改性前后的FTIR表征光谱。（N）水凝胶频率扫描（0.01-100 rad/s，1%应变）储能模量（G'）曲线。（O）水凝胶旋转应变扫描（0.01-10000%应变，10 rad/s）储能模量（G'）曲线。（P）HEC-MA、QCS-MA和CSA-MA水凝胶转化率与光交联时间的关系（储能模量G'和损耗模量G''）。p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001。
在仿生电池设计方面，研究团队构建了一个五层异质水凝胶结构，依次为高盐凝胶、阳离子选择膜、低盐凝胶、阴离子选择膜和高盐凝胶，完美复刻了电鳗电器官的离子梯度放电机制。傅里叶变换红外光谱和核磁共振氢谱验证了各层水凝胶材料的成功合成。流变学测试表明，所有光交联水凝胶在紫外照射79秒后储能模量均显著超过损耗模量，形成了稳定的交联网络。压缩循环测试显示，经过75次加载-卸载循环后，水凝胶仍能保留82.1%的原始压缩模量，展现出优异的抗疲劳性能。
电学性能测试是本研究的关键亮点。研究团队发现，将4个凝胶单元串联或并联后，电压和电流均实现4倍提升。在对比了钠、钾、锌、锶、钙、镁等多种盐离子后，镁离子因其低细胞毒性、高离子强度以及能够激活PI3K/Akt信号通路促进轴突生长的独特优势被选为最佳电解质。含有2摩尔每升镁离子的凝胶电导率可达0.042西门子每米。在优化的浓度梯度下，该离子凝胶电池可产生约150毫伏的稳定电压。更重要的是，该电池在60小时内仍能保留51.2%的阳离子和70.1%的阴离子，保证了持续的电输出能力。外部压力从0.5牛顿增加至10牛顿时，输出电压从172毫伏升至353毫伏，显示出机械刺激对电性能的调控作用。
图3 | EE-iHB的电输出性能。 （A）不同连接方式下iHB的照片。（B）具有不同串联和并联连接的多单元EE-iHB的照片。（C）不同连接方式的EE-iHB的开路电压和短路电流。（D）不同负载电阻下不同数量单元串联或并联时的归一化电流和电压。（E）不同盐离子的EE-iHB开路电压和短路电流。（F）含不同浓度MgCl2的HEC-MA水凝胶的奈奎斯特图。（G）含不同浓度MgCl2的HEC-MA水凝胶的电导率。（H）不同浓度梯度下EE-iHB的开路电压。（I）不同HEC-MA/CSA-MA比例下EE-iHB的开路电压和短路电流。（J）不同QCS-MA浓度下EE-iHB的开路电压和短路电流。（K）阳离子选择性和阴离子选择性水凝胶的离子保留性能。（L,M）阳离子选择性和阴离子选择性水凝胶中离子保留率随时间的变化（n=3）。
生物相容性评估显示，即使在高浓度镁离子环境下，大鼠施万细胞存活率仍保持在74%以上，巨噬细胞未见明显凋亡。划痕实验表明，电刺激组在24小时内的伤口愈合率达81.6%，显著高于对照组。免疫荧光染色证实，电刺激使CD31和血管内皮生长因子的荧光强度分别上调3.0倍和2.6倍，展现出强大的促血管生成能力。同时，电刺激还显著降低了巨噬细胞中CD86和肿瘤坏死因子α的表达，提示其具有抗炎和免疫调节功能。蛋白质印迹实验进一步揭示，电刺激组PI3K和Akt的磷酸化水平分别比对照组提高了2.25倍和1.57倍，激活了关键的促存活信号通路。
图4 | 细胞迁移、成管及毒性实验。 （A）不同Mg2+浓度下RSCs的活/死染色。（B）电刺激对HUVECs在0至24小时内迁移的影响。（C）不同支架共培养的巨噬细胞中CD86和TNFα的免疫荧光染色。（D）VEGF/CD31的免疫荧光染色图像。（E）不同Mg2+浓度下RSCs存活率的统计结果（n=3）。（F）12和24小时划痕愈合率的统计数据。（G,H）术后24小时CD86、TNF-α免疫荧光结果（n=5）。（I,J）HUVECs培养24小时后CD31和VEGF的荧光染色图像（n=5）。p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001。
图5 | 电刺激促进血管生成。 （A）PI3K/Akt信号通路示意图。（B）PI3K和Akt蛋白表达的蛋白质印迹检测。（C,D）p-PI3K和p-AKT的蛋白质印迹灰度统计图（n=3）。（E）使用8小时成管实验评估电刺激对HUVECs的促血管生成效果（n=4）。（F）HUVECs形成小管数量的统计数据（n=4）。（G）HUVECs小管分支节点数量的统计数据（n=5）。（H）术后1周近端神经CD31和VEGF的免疫荧光染色。（I,J）CD31和VEGF的荧光染色统计数据（n=5）。p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001。
转录组测序分析为电刺激的治疗机制提供了分子层面的证据。主成分分析显示电刺激组与对照组之间存在显著的基因表达差异，共鉴定出1616个差异表达基因，其中874个上调、742个下调。基因本体论富集分析表明，这些差异基因与炎症反应、免疫应答、细胞黏附和轴突生长密切相关。京都基因与基因组百科全书富集分析显示，电刺激显著下调了NF-κB、肿瘤坏死因子和白细胞介素-17等炎症相关信号通路，同时上调了三羧酸循环通路，提示电刺激可能通过调控代谢状态促进巨噬细胞表型转换。基因集富集分析进一步证实，钙信号通路、肌动蛋白丝结合和AMPK信号通路在电刺激组中显著上调。
图6 | ES对炎症、纤维化和再生的调控。 （A）差异表达基因火山图。（B）GO富集条形图（细胞黏附、炎症和神经生长）。（C）KEGG通路基因集富集分析。（D）GO基因集富集分析。（E）KEGG富集散点图（细胞黏附、信号转导、炎症和神经再生）。（F）热图显示与空白对照组相比，选定炎症相关基因表达水平的相对变化。
动物实验结果是验证该导管疗效的关键。术后4周的组织学分析显示，电刺激组中NF200和S100的荧光强度均显著高于对照组和水凝胶组，仅次于自体神经移植组——后者被视为神经修复的“金标准”。Ki67细胞增殖标记物的检测结果表明，电刺激组的细胞增殖活性同样仅次于自体移植组，证实电刺激促进了施万细胞等神经相关细胞的增殖。术后12周，甲苯胺蓝和固蓝染色定量分析显示，电刺激组的施万细胞密度和髓鞘阳性面积均显著优于对照组。透射电镜图像进一步证实，电刺激组的髓鞘密度、髓鞘厚度和轴突直径均仅次于自体移植组。电生理检测显示，电刺激组的复合肌肉动作电位振幅为50.61毫伏，神经传导速度为52.8米每秒，分别达到自体移植组的76.4%和84.8%。坐骨神经功能指数计算结果显示，电刺激组为-62.34，显著优于对照组的更低数值。腓肠肌湿重比和肌纤维形态分析也证实电刺激有效减轻了失神经性肌萎缩。安全性评估表明，术后12周各主要脏器未见明显损伤，组织中的镁离子浓度维持在正常生理范围内，壳聚糖寡糖几乎检测不到，证实了该材料的长期生物安全性。
图7 | 体内坐骨神经再生评估。 （A）植入装置的照片。（B）术后4周神经组织DAPI、NF200、S100和Merge的免疫荧光染色。（C）术后1周近端神经Ki67的免疫荧光染色。（D,E）NF200和S100荧光强度的统计数据（n=4）。（F）术后1周Ki67荧光强度的统计数据（n=5）。p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001。
图8 | 电刺激改善轴突形态并促进运动功能恢复。 （A）术后12周坐骨神经HE、LFB和TB染色。（B）再生轴突的透射电镜图像。（C）大鼠足迹采集与测量示意图。（D）大鼠足迹典型图像（健侧：红色；患侧：蓝色）。（E）大鼠电生理曲线。（F,G）术后12周大鼠腓肠肌对比图像（左：健侧；右：患侧）及患侧Masson三色染色。比例尺：200 μm。（H）LFB染色图像中髓鞘阳性面积百分比的统计结果（n=4）。（I）TB染色图像中施万细胞阳性面积百分比的统计结果（n=5）。（J）12周时SFI值（n=5）。（K）腓肠肌湿重比（患侧/健侧）统计结果。（L）再生神经神经传导速度的统计数据（n=5）。p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001。
图9 | 电刺激改善轴突形态并促进运动功能恢复。
总结而言，这项受电鳗启发的完全可降解离子凝胶电池，通过持续电刺激、抗炎调控和促血管生成的协同作用，为周围神经修复提供了创新性解决方案。与传统材料相比，该水凝胶的放电持续时间延长了3至5倍，术后12周神经传导速度恢复率达79.6%，显著高于对照组的46.4%。研究者指出，该材料在大型动物模型中的长期生物安全性、针对不同损伤类型的个性化优化以及外部电路控制系统开发等方面仍有待进一步探索。该研究建立的多功能设计范式为开发下一代神经再生疗法开辟了新的可能。
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