由于神經系統損傷后會導致神經系統退行性的改變，因此神經組織的修復顯得尤為重要。在這篇文章中，作者總結了可注射水凝膠用于神經組織再生和修復的研究進展，包括體內實驗和體外實驗。

一、神經系統介紹

神經系統包括中樞神經系統和周圍神經系統，其主要功能是用來監視和控制人體絕大多數的自動活動。該系統在神經退行性疾病，如帕金森、阿爾茲海默癥、創傷性損傷等，發生時造成神經元的損傷是不可逆的，即疾病期間受損的神經元其增殖和再生能力相對較差，這也反映了神經系統是一個相對局限的系統。

中樞神經系統的再生能力受到神經系統疾病的影響，這是因為這些神經系統疾病會引起一系列級聯反應，導致繼發性神經元變性和死亡，因此可為患者提供的治療方案相對局限。臨床上需要針對這些問題開發相應的新的治療策略。神經組織工程作為一個多樣化的生物醫學領域，其結合了計算神經科學，臨床神經病學，生物材料科學和納米技術，可從新角度解決神經系統疾病面臨的困境。

二、用于神經系統再生的水凝膠支架

水凝膠是一個多孔的三維網絡結構，由于其聚合物結構上連接有多個親水基團，例如羥基、胺基、羧基等，因此具有較高的含水量（如圖所示）。在水凝膠的空間內可以包含分子（如藥物或生物活性化合物）和其他溶劑（PBS緩沖液），可以用于如組織工程，傷口愈合和遞送藥物。此外，水凝膠的特點是具有相互連接的聚合物網絡，這些網絡能夠大量吸收水而不分解其結構。

圖. 水凝膠的結構：A 理想網絡結構；B 可能的纏擾結構；C 水凝膠的網絡微結構

水凝膠具有高的孔隙率、合適的孔徑大小、彈性、生物相容性，以及可調節的物理、化學和生物特性。其中，可注射水凝膠作為一種生物材料可以以液體的形式注射進入人體，在體內隨著溫度的變化而凝固成為固化的水凝膠。

三、可注射水凝膠修復神經組織

周圍神經損傷的常規治療方法包括使用自體神經移植，但該方案需要手術治療，并受到供體限制、神經功能喪失和疤痕形成的影響。利用組織工程可以制備一款神經導管，其具有柔性的生物力學結構、良好的生物相容性，同時可以模擬周圍神經的細胞外基質環境。

通過相關的體內實驗數據表明，可注射水凝膠對于神經系統的恢復有較大的潛力（表1）。

表. 用于周圍神經損傷的可注射水凝膠

原表. 用于周圍神經損傷的可注射水凝膠

示例1

團隊設計了一款可注射的殼聚糖移植物——充滿神經生長因子的透明質酸水凝膠，它可以在生理pH條件下凝膠，且凝膠時間隨著殼聚糖與透明質酸摩爾比的增加而降低。這款水凝膠顯示出82%-87.12%的連續多孔網絡結構，且平均孔徑在42.19-73.53 µm之間。當水凝膠吸收至合適的水濃度時，其顯示值介于13-18 w/w之間，在56天的培養孵育時間內，神經生長因子的釋放曲線大約為70%和98%。將RSC96施旺細胞置于水凝膠中培養3天，發現有更明顯的細胞數量增長（相比于對照組）。此外，載有神經生長因子的水凝膠增強了細胞粘附和增殖能力。體內實驗表明，手術后的小鼠在行走和手術側的腿部與手術前相比沒有顯著變化，且坐骨神經功能指數表現合適，也說明了小鼠運動功能的恢復。

下圖中顯示了大鼠植入神經導管1和3個月后取出的示意圖，結果表明實驗組，即含有可注射透明質酸-殼聚糖的神經因子的神經導管，相比于對照組對神經纖維數量和成熟度上有更強的誘導性，且3個月組中神經纖維的生長分布更加均勻。

圖. A）大鼠植入神經導管1和3個月后取出的橫截面，紅色箭頭顯示神經纖維。(a–d)：自體移植組；(e– h)：聚（D，L-乳酸）/β-三磷酸神經導管組；(i – l）：聚（D，L-乳酸）/β-三磷酸神經導管/透明質酸–殼聚糖組；(m-p)：聚（D，L-乳酸）/β-三磷酸神經導管/透明質酸 -  殼聚糖/神經生長因子組。B）再生的髓鞘纖維的軸突直徑。C）再生的髓鞘的厚度。D：再生神經纖維的直徑。E）再生的髓神經纖維密度。數據通過單向方差分析ANOVA，其中p <0.05*

示例2

團隊開發了由甲基丙烯酸化明膠組成的可注射水凝膠，這些水凝膠載有血管內皮生長因子/模擬肽納米脂質體，通過紫外線將其交聯。體外實驗：將PC-12和RSC96細胞接種到水凝膠中，結果發現在培養孵育的3天內細胞顯示出較高的活力（高于80％）。體內實驗：作者評估了大鼠神經再生過程中的新血管化過程，結果顯示植入7天后有微血管密度顯著增加（66個微血管/視野），同時發現有兩個利于血運重建的關鍵血管遺傳標記（HIF-1α和VEGFR2）。下圖顯示了手術后第28天的再生神經的橫截示意圖，結果表明在可注射水凝膠的使用下再生神經截面沒有明顯的壞死或疤痕組織產生，且受損神經有適當的軸突和髓鞘再生。

圖. 手術后第28天再生神經的中間橫截面。A）蘇木精-伊紅(HE)染色，B）Luxol染色，C）S100和Neu Rofilement-200的免疫熒光染色，D）髓磷脂堿性蛋白質和βIII小管蛋白的免疫熒光染色，E）再生的神經纖維的切片，F）再生神經纖維橫截面的TEM圖像，G）TEM觀察的髓鞘厚度，（H）從TEM觀察的再生的軸突纖維直徑。p <0.01 ** ，p <0.001***

示例3

團隊開發了一種載有黑磷納米片和扎羅汀的殼聚糖水凝膠，通過365 nm的紫外線照射進行交聯，水凝膠是平均孔徑在80至160 µm的多孔水凝膠。體外實驗表明該水凝膠在對PC12細胞孵育培養7天后，能明顯促進細胞的生存和分化能力。體內實驗表明，使用該水凝膠后，大鼠的后肢運動功能得到明顯恢復，并通過運動足跡得到驗證。下圖顯示，植入水凝膠的實驗組中大鼠遠端神經上的微管相關蛋白2和巢蛋白標記物染色較明顯，說明其遠端神經保持正常的功能和活性。

圖. 水凝膠植入促進神經再生。A）大鼠縱向脊髓切片的免疫組織熒光圖像；B）巢蛋白的定量分析，C）MAP2的定量分析，D）不同組的VEGF和CD31的蛋白質表達，E）水凝膠釋放藥物促血管再生的方案。*p <0.05，*** p <0.001，**** p <0.0001

四、小結

注射水凝膠是神經組織修復的潛在生物材料，其具有多種優勢，如多孔性、交互性、與神經組織相似的機械性、生物相容性等。在本文中，主要介紹并討論了注射用水凝膠在周圍神經和脊髓損傷修復中的的最新進展。