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石墨烯复合纳米纤维神经支架的构建及其在周围神经再生中的应用

王娟  
【摘要】:创伤、神经退变、缺血缺氧等引起的周围神经损伤已成为临床常见疾病之一。神经一旦断裂损伤将导致神经信号传导途径中断,相应的靶器官功能受到影响,进而机体功能发生障碍,严重影响身体健康。因此,受损周围神经的恢复一直是医学界关注的热点。目前,临床上通常采用自体移植或异体移植的方法治疗周围神经损伤,但都存在一定的局限性,限制了它们的广泛应用。组织工程的发展为受损神经的再生提供了新思路。作为神经细胞临时生长的微环境,神经组织工程支架是确保神经能否再生成功的关键。理想的神经组织工程支架应具有(1)仿生周围神经所特有的天然结构,为神经细胞或组织提供合适的生长微环境;(2)力学性能,为神经再生提供力学支撑;(3)诱导活性,促进种子细胞的迁移、增殖、分化及再生轴突的生长;(4)导电性能,为细胞或组织的生长传递所需的生物电信号;(5)降解性能,为受损神经的再生提供生长空间,同时避免对新生神经造成挤压。静电纺纳米纤维能很好地仿生天然细胞外基质(ECM),在神经组织工程中得到了广泛应用。同时氧化石墨烯及石墨烯作为新型碳纳米材料,以其独特的二维蜂窝纳米结构及优异的物理化学性质(包括高比表面积、优异的机械和导电性能等)在生物医学领域中备受关注。研究表明,石墨烯能够促进神经细胞的增殖及分化。本课题从仿生周围神经再生微环境及理想神经支架的基本要求出发,旨在利用石墨烯独特的生物活性和导电性能对静电纺纳米纤维进行修饰,增强其在神经组织工程中的应用。课题研究内容概括为以下几个部分:(1)采用静电纺丝技术制备了不同质量比的柞蚕丝素蛋白/聚乳酸己内酯共聚物(ApF/PLCL)共混纳米纤维支架。通过对纤维形貌、化学性能、亲水性能及力学性能表征,系统比较了不同质量比ApF/PLCL纳米纤维的性能差异。同时,以雪旺细胞(SCs)为种子细胞,采用MTT和细胞电镜评估了该ApF/PLCL共混纳米纤维支架的细胞相容性。结果表明,与其他纳米纤维支架相比,ApF/PLCL质量比为25:75时,力学性能及生物相容性较好。通过综合评价,明确了该支架材料作为神经组织工程支架的可行性,为后续进一步的研究提供了基础。(2)在第二章研究的基础上,将具有生物活性的氧化石墨烯(GO)修饰在ApF/PLCL纳米纤维表面,制备了具有生物活性的GO复合纳米纤维支架。SEM、FTIR、Raman和XPS的测试结果表明,GO成功地修饰在纳米纤维表面,没有破坏纳米纤维独特的仿生结构。同时,该支架的力学和亲水性能随GO含量的增加而增加。体外细胞实验结果表明,经GO功能化的ApF/PLCL纳米纤维可显著促进SCs的增殖和迁移,同时促进了大鼠肾上腺嗜铬细胞(PC12细胞)的分化,并显著上调了PC12细胞中FAK蛋白的表达。体内实验结果显示GO修饰的纳米纤维神经导管支架可以显著促进大鼠坐骨神经的再生及功能恢复。以上结果表明,GO修饰的纳米纤维神经支架为神经细胞和再生组织提供了良好的生长微环境。(3)在第三章基础上,将GO修饰的纳米纤维支架进行原位还原处理,制备了具有导电性能的还原氧化石墨烯(RGO)复合纳米纤维支架。普通光镜、Raman、XPS及接触角结果表明,纤维支架上的GO被成功还原为RGO。导电性能测试结果表明,RGO的存在赋予了纤维支架良好的导电性,且随着RGO含量的增加其导电性能也相应增加。在体外,结合体外电刺激(ES)系统地研究了导电RGO支架对SCs及PC12细胞生物学行为的影响。结果表明,ES作用下,导电RGO支架能够显著促进SCs的迁移、增殖、髓鞘基因蛋白的表达和神经营养因子的分泌。同时,ES作用下该支架能够显著诱导PC12细胞的分化。在体内,将导电RGO神经导管支架移植到大鼠的坐神经缺损处4和12周后,结合坐骨神经功能指数(SFI)、小腿三头肌肌肉Masson染色、湿重比、组织学染色、透射电子显微镜(TEM)、免疫组化和免疫荧光评估了该支架对受损神经的修复能力。结果表明,导电RGO的存在显著促进了神经的再生及功能的恢复。以上结果表明导电RGO复合纳米纤维联合适宜的ES具有促进周围神经再生和功能恢复的潜能。(4)为紧密模拟天然神经的神经束结构,在本论文第二章和第三章的基础上,依然选择Ap F、PLCL及GO为仿生材料,采用静电纺丝、高速匀浆、模板成型、冷冻干燥及交联技术相结合制备了具有生物活性的多通道纳米纤维海绵支架(MCS)。对支架的形貌、孔隙率、力学及降解性能进行了表征,结果显示MCS是由高度分散的纳米短纤维组成,微通道平均直径为125μm左右,孔隙率高达92.7%,具有很好的压缩回弹性能。其降解速率可通过交联时间的长短进行调控。体外细胞实验结果表明,SCs在该三维多通道海绵支架上具有较好的增殖行为且能够沿着纳米纤维构成的多通道生长。与二维纳米纤维支架相比,该三维MCS支架能够显著促进SCs的髓鞘化。同时,在三维MCS支架上培养的SCs分泌的生长因子具有生物活性,能够显著促进PC12细胞的分化。随后将MCS支架作为内部填充物制备了多通道纳米纤维神经导管支架(MCS-NGC)。在体内,将MCS-NGC植入大鼠坐骨神经缺损部位12周后,通过SFI值、Masson染色、小腿三头肌湿重比、血管化评价、组织学形态分析及免疫荧光染色的表征,评估了该三维支架在神经修复方面的潜力。结果表明,相比于中空神经导管支架,该MCS-NGC能够显著促进受损神经组织的再生及功能恢复。同时,作为神经支架的内部填充,MCS能够完全降解,其降解速率与再生神经的生长速率相匹配。以上结果表明,具有类似于神经束状结构和生物活性的MCS-NGC能够为SCs的生长提供更多的粘附位点,促进和引导了SCs的迁移、增殖及髓鞘化,进而更好地促进了神经组织的修复和再生。此支架在修复周围神经方面有着较大的潜力。综上,本论文立足当前热点,将石墨烯独特的物化性能及纳米纤维独特的仿生结构相结合,分别制备了三种性能不同的神经导管支架,并在体内外评估了这些支架在周围神经再生方面的潜力。本论文为神经支架的构建及原位再生提供了新的方法和思路。


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