生物医用材料 · 文献综述

静电纺丝神经修复与导管:取向纤维、管壁结构与研究进展

希望让神经突起沿特定方向延伸,还是开发能够桥接缺损的管状材料?静电纺丝既可以制备取向纤维,也可以参与导管内壁、支撑外层和内部引导结构的构建。神经修复研究的关键,是把这些结构与细胞行为、管腔稳定性及最终功能联系起来。

通力微纳整理7篇代表性研究

本文选取2007—2025年的7篇原始研究,涵盖美国、新加坡、中国及巴西等地团队,重点讨论周围神经修复。文章为代表性文献的叙述性综述,不把不同缺损模型或观察指标合并成统一疗效结论。

01神经修复材料需要完成哪些任务

神经修复中的纤维材料可以有不同形态:培养用的平面取向基底、桥接缺损的导管,以及放置在管腔内部的引导片或纤维束。三者分别回答细胞是否响应方向线索、管壁能否保持通道,以及再生组织能否穿过缺损并与靶组织重新建立联系。1,2,3,4

神经修复与导管的结构与评价思路
样品形态希望解决的问题需要对应的评价
取向纤维培养基底为神经突起和支持细胞提供方向线索细胞存活、迁移、突起长度与排列 1,2
管状神经导管建立并维持桥接空间湿态管腔、管壁稳定、缝合操作与组织反应 3
导管内部纤维及功能复合层结合形貌引导与局部生物学作用轴突与髓鞘、神经电生理、肌肉及运动表现 4,7

这些任务相互关联,但并不等价。平面上细胞沿纤维生长,提供的是导向证据;将其卷成导管后,还要考虑内径、壁厚、孔隙、接缝以及细胞进入的空间。导管材料也不能只凭拉伸强度评价,浸湿和弯曲后是否仍保持通畅同样重要。3,6

02取向纤维与管状结构怎样组合

聚乳酸(PLLA)、聚己内酯(PCL)、聚乳酸-己内酯共聚物(PLCL)和PLGA等聚酯,以及壳聚糖、明胶等天然来源组分,都出现在相关研究中。材料选择影响成纤、表面细胞相互作用、湿态力学和降解;纤维取向则增加了可供细胞响应的空间线索。1,2,3,5,6

把内侧引导和外侧支撑分别设计

一种设计思路是在管腔内侧布置沿轴向排列的纤维,外侧使用随机纤维维持结构。另一种方式是先制备平面膜,再卷绕或将其放入既有管道。不同路径需要分别检查内壁方向、接缝和层间结合,不能用平面膜的取向统计代替成管后的结构检测。3,4

表面处理需要与湿态稳定共同评价

天然高分子或表面处理可能改变细胞附着,也可能改变纤维直径、溶胀及排列。明胶处理PLGA、京尼平交联壳聚糖的研究,都说明功能化之后应重新检测完整样品,而非把处理前的几何结构视为不变。5,6

03取向是否有用 先看细胞如何响应

Corey等2007年比较不同排列程度的PLLA纤维,并培养背根神经节外植体。神经突起接触纤维后可沿纤维方向延伸,取向较高的基底在该实验中支持更长的突起。这是直接观察形貌导向的体外证据;其评价对象是离体神经组织,并不是接受修复手术的患者。1

Chew等2008年在人源施旺细胞培养中,观察到PCL取向纤维使细胞沿纤维轴伸长和排列,同时部分髓鞘相关基因表达发生变化。该工作把取向研究从神经元延伸到支持细胞,但人源细胞实验仍属于体外研究,不能标注为人体神经修复试验。2

04导管设计需要兼顾轴向引导和结构保持

Zhu等2011年采用一步电纺方法制备无缝双层导管,内侧纵向取向、外侧随机排列,并在大鼠坐骨神经缺损模型中与随机纤维导管及自体移植物比较。研究结合组织形态、电生理和行为观察,显示了分层结构用于神经再生的潜力。其设计价值在于将引导界面与整体管壁一起构建,不能据此认定所有双层导管都能达到相同结果。3

Lau等2018年针对壳聚糖纤维在生理环境中的稳定性,研究了京尼平处理。处理后的纤维具有更好的抗溶胀、抗酶降解和形态保持,并在施旺细胞及背根神经节外植体实验中观察导向表现。这项工作属于材料与体外评价,说明维持方向线索需要先维持湿态结构。5

05功能复合结构让导向与局部作用结合

Chew等2007年将胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)引入PCLEEP共聚物电纺纤维,再与导管结构结合,研究大鼠15 mm坐骨神经缺损。作者观察到再生组织桥接以及部分动物的电生理恢复,含因子纤维体现出将空间引导与生化线索结合的可能性。桥接成功和功能完全恢复应分别理解,不能相互替代。4

Song等2025年制备螺旋结构的导电PLCL/HEC-PEDOT导管,并在内部布置取向纤维膜。研究考察施旺细胞和PC12细胞行为,并在坐骨神经缺损动物模型中报告再生、血管形成及功能相关改善。这里可借鉴的是导管内部结构、电学性质与生物学评价的联动设计;结果来自特定复合体系,不能把“导电”单独解释为普遍有效的修复条件。7

此类复合方案需要将纤维骨架、功能组分和后处理分别描述。若引入蛋白或导电层,还应核对活性保留、释放或电学稳定性、组分分布及局部组织反应,避免仅凭干态形貌或单项导电率选择方案。4,7

06怎样区分细胞相容性与神经功能恢复

Pozzobon等2021年制备取向PLGA纤维并进行明胶处理,构成神经导管。细胞在7天培养中保持存活和增殖,但大鼠损伤模型8周观察中的坐骨神经功能指数与损伤对照组相近,未显示显著功能改善。这一结果提示:细胞能够生长,不代表导管已经解决缺损桥接和功能恢复问题。6

上述研究采用的材料、缺损长度、观察时间和功能终点不同。比较方案时,应把轴突形态、髓鞘、电生理、肌肉状态及运动表现放回各自模型中理解。本文所选证据集中在体外和动物阶段,不能作为特定电纺神经导管已获得人体有效性验证的依据。1,2,3,4,5,6,7

07从取向膜到可重复的导管样品

明确希望制备的是膜片还是完整导管

平面取向样品可用于筛选材料和细胞响应;完整导管则需要提前给出内径、长度、壁厚、内壁纤维方向和可操作要求。设备配置应围绕这些样品指标讨论,包括定向收集、旋转芯轴、分层沉积及供液稳定性。

保持取向并不意味着无限提高收集速度

可将收集条件与纤维直径、排列分布、孔结构和湿态力学一起比较。更换收集器或样品尺寸后,应重新确认轴向和周向的沉积差异;多层样品还需要检查每层的方向与连接,而不仅测量总厚度。3,5,6

让后处理进入工艺记录

交联、表面改性、干燥、脱模和灭菌可能影响最终结构。可将这些步骤与批次、湿态尺寸及生物学测试一一对应;设备承担的是可控成纤与收集,导管的使用性能仍需通过具体材料和产品验证建立。

08神经导管研发中的常见问题

纤维越细 越有利于神经修复吗

不能只用直径排序。排列、密度、细胞进入空间、湿态结构和表面性质共同影响结果,应在同一模型中比较。1,2,3,5

人源施旺细胞实验属于人体研究吗

不属于。它说明人源细胞在实验条件下对材料的响应,仍需与动物植入及患者研究区分。2

可以直接把平面取向膜卷成导管吗

文献中有这种制备路径,但卷绕后需要检查接缝、管腔、内壁方向和湿态保持。也可讨论直接成管与分层收集,各自的适用性要由样品验证决定。3,6

参考文献

以下为本文所用原始研究。通力依据文献独立归纳,不转载原文图表;所列作者与机构不作为通力客户案例。各项结论的阅读范围和验证阶段按正文及原文理解。

  1. Corey JM, Lin DY, Mycek KB, et al. Aligned electrospun nanofibers specify the direction of dorsal root ganglia neurite growth. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2007, 83(3):636–645.

    DOI:10.1002/jbm.a.31285 ↗

    阅读范围:PubMed原始研究摘要与书目

  2. Chew SY, Mi R, Hoke A, Leong KW. The effect of the alignment of electrospun fibrous scaffolds on Schwann cell maturation. Biomaterials, 2008, 29(6):653–661.

    DOI:10.1016/j.biomaterials.2007.10.025 ↗

    阅读范围:PubMed原始摘要与书目;正式刊载年2008

  3. Zhu Y, Wang A, Patel S, et al. Engineering bi-layer nanofibrous conduits for peripheral nerve regeneration. Tissue Engineering Part C: Methods, 2011, 17(7):705–715.

    DOI:10.1089/ten.tec.2010.0565 ↗

    阅读范围:PMC原始论文方法与讨论公开片段;PubMed书目

  4. Chew SY, Mi R, Hoke A, Leong KW. Aligned protein–polymer composite fibers enhance nerve regeneration: A potential tissue-engineering platform. Advanced Functional Materials, 2007, 17(8):1288–1296.

    DOI:10.1002/adfm.200600441 ↗

    阅读范围:PMC原始论文摘要、结果及结论公开文本

  5. Lau YT, Kwok LF, Tam KW, et al. Genipin-treated chitosan nanofibers as a novel scaffold for nerve guidance channel design. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2018, 162:126–134.

    DOI:10.1016/j.colsurfb.2017.11.061 ↗

    阅读范围:本地原始PDF提取文本,首页与结果;2017在线、2018刊载

  6. Pozzobon LG, Sperling LE, Teixeira CE, Malysz T, Pranke P. Development of a conduit of PLGA-gelatin aligned nanofibers produced by electrospinning for peripheral nerve regeneration. Chemico-Biological Interactions, 2021, 348:109621.

    DOI:10.1016/j.cbi.2021.109621 ↗

    阅读范围:本地原始PDF提取文本,首页与方法;保留体内阴性结果

  7. Song J, Wu S, Liao C, et al. Spiral-structured electrospun conductive conduits filled with aligned nanofibers for peripheral nerve regeneration. Chemical Engineering Journal, 2025, 508:160899.

    DOI:10.1016/j.cej.2025.160899 ↗

    阅读范围:出版社原始研究摘要与书目

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