华南理工大学研发出水凝胶喷雾，可修复海绵状神经，恢复勃起功能和生育能力！

原位喷涂仿生黏性导电水凝胶修复海绵状神经！

创伤、手术和慢性疾病会损害海绵状神经，最终导致勃起功能障碍。例如，虽然前列腺切除术能够治愈前列腺癌，但由于海绵状神经与前列腺表面十分接近，因此手术通常会导致海绵状神经损伤（CNI），最终导致一半患者术后勃起功能障碍。CNI的临床治疗通常需要口服磷酸二酯酶5型抑制剂，然而其疗效有限，只能暂时缓解症状，无法根除疾病。因此，开发有效、微创的海绵状神经修复方法势在必行。

神经组织对电信号敏感，电信号影响神经细胞的行为，提高神经再生效率。导电水凝胶复合材料被广泛认为是一种将导电性与生物相容性相结合的极具潜力的材料。导电水凝胶不仅支持和建立神经组织内的电活性通路，还能增强表面微观结构和蛋白质吸附，从而促进神经再生。已有的导电水凝胶策略实现了与大直径（即>2 mm）损伤的周围神经和脊髓的紧密共形接触。然而，该方法对海绵状神经无效，海绵状神经直径较小（即<1 mm），且复杂表面直接附着在前列腺组织上。此外，传统的导电水凝胶块体/支架在内窥镜递送过程中可能容易破裂或自黏附。另一方面，神经再生是一个复杂的过程，涉及神经细胞和非神经细胞（如免疫细胞）之间的协同。巨噬细胞作为主要的免疫细胞，在神经损伤反应中发挥着关键作用。最近，巨噬细胞中的一种免疫调节代谢产物美沙康酸盐已被证实可以降低巨噬细胞中炎症因子的表达。因此，迫切需要开发一种原位形成的黏附性导电水凝胶，将免疫调节和方便的内镜递送相结合，用于海绵状神经修复。

在此背景下，华南理工大学施雪涛教授团队开发了一种由明胶、腺嘌呤、碳纳米管和美沙康酸盐组成的可喷涂粘合导电水凝胶（GACM），用于海绵状神经修复。多重氢键为GACM提供了优异的粘合和防溶胀性能，使其能够与受损神经建立共形电桥，并有助于再生过程。此外，GASM中的美沙康酸盐能抑制巨噬细胞释放炎症因子，并促进Schwann细胞的迁移和增殖。体内测试表明，GACM水凝胶修复了海绵状神经，恢复了勃起功能和生育能力。此外，作者还验证了可喷涂GACM在比格犬微创手术中的可行性。该可喷涂GACM材料有望为微创神经修复提供先进解决方案。该工作以题为“In Situ-sprayed Bioinspired Adhesive Conductive Hydrogels for Cavernous Nerve Repair”的论文发表在最新一期《 Advanced Materials》上。

GACM的设计策略

作者提出了一种生物启发的核碱基黏附策略，以设计用于海绵状神经修复的黏性导电水凝胶（GACM）喷雾（图1）。该GACM由明胶、腺嘌呤、碳纳米管和甲磺酸酯组成。其中，胸腺嘧啶修饰的碳纳米管（CNT-Ty）是利用侧链修饰策略和增强在水溶液中的分散性来合成的。甲基丙烯酸明胶（GelMA）和丙烯酸腺嘌呤（AA）之间的多重氢键为水凝胶喷雾提供了卓越的黏附和抗溶胀性能（图1A）。GACM喷雾可以很容易地与海绵状神经紧密接触，并且可以使用输送装置将药剂整合到内窥镜中（图1B-C）。GACM水凝胶具有连接神经组织中电活性通道的能力，促进再生（图1D）。此外，美沙康酸盐的持续释放减少巨噬细胞所引起的炎症，增强Schwann细胞的迁移，并促进神经营养因子的释放，从而促进海绵状神经再生，最终恢复勃起功能（图1D）。

图1. GACM喷雾设计和内镜递送修复海绵状神经的示意图

GACM的力学、黏附和电学性能

作者首先通过动态流变分析研究了GACM水凝胶的力学性能，并证实其具有典型的动态粘弹性行为。对GACM施加2%的剪切应变以模拟前列腺组织变化的幅度，水凝胶在一定的频率范围内显示出稳定的状态，表现出类固体行为（G′>G′′，图2A）。此外，作者通过压缩测试评估了水凝胶的机械强度（图2B）。与流变学结果一致，在相同应变下，添加AA和CNT-Thy有利于提高水凝胶的模量和抗压强度（图2B）。GA（18.5±1.0 kPa）的杨氏模量大于GelMA（4.8±1.2 kPa；图2C），表明AA的引入可能导致氢键的形成或链密度的增加。循环压缩试验证明了GACM水凝胶具有良好的弹性和抗疲劳性能（图2D）。此外，AA的加入会影响水凝胶的体积溶胀率。通过光照交联的GelMA水凝胶可以吸收大量的水而溶胀。添加适量的AA在一定程度上有效地限制了GelMA的溶胀。

组织黏附在组织修复中起着至关重要的作用，尤其是对于海绵状神经等小神经，手术缝合并不可行。因此，良好的黏附对于促进海绵状神经的再生至关重要。具有良好组织粘附性的水凝胶可以紧密桥接神经残端，改善电信号传导和药物的有效性，促进神经组织再生。GACM中的腺嘌呤和胸腺嘧啶是可以进行物理交联的碱性核碱基，它们通过氢键来确保内聚行为以及与组织表面产生黏附作用（图2E）。为了定量评估水凝胶的组织黏附性能，作者还进行了搭接剪切黏附实验。图2F和3G分别显示了黏附力学曲线和相应的黏附强度。GACM（37.5±2.4 kPa）和GA（28.6±2.1 kPa）水凝胶的黏附强度大于GelMA水凝胶（7.8±2.1 kPa。结果表明，GACM水凝胶通过与组织之间形成的多个氢键实现了良好的黏附性能。

接着，作者研究了喷雾GACM溶液所形成的原位水凝胶是否可以促进其与组织的黏附（图2H）。将完整的GACM水凝胶和GACM原位凝胶黏附到组织表面，随后将其置于PBS中。原位凝胶化后，由于嵌入的互锁机制，GACM牢固地黏附到组织上（图2I）。相反，预先固化完成的GACM水凝胶具有光滑潮湿的表面，即使长时间接触也很难黏附到组织上。这是因为完全交联的聚合物网络不能穿透组织表面的抗黏附液膜。作者通过SEM检查了界面的黏附状态。结果表明，GACM原位凝胶与组织表面形成了致密的界面；而预先固化完成的GACM水凝胶黏附到组织表面时，在组织和水凝胶之间能观察到明显的间隙（图2J）。这表明GACM喷雾可以通过原位形成水凝胶紧密黏附在组织上。

为了研究GACM在电响应神经组织中的电信号传输能力，作者进行了一个简单的灯泡电路实验。当用GACM水凝胶桥接离体切断的坐骨神经两端时，灯泡能够正常发光（图2L）。这说明GACM水凝胶具有恢复电信号传输的能力。通过四电极技术测量， GACM在PBS中5天内具有一致的电导率（3.1±0.6 S m -1）（图2N），超过了生物组织的电导率（0.3-0.7 S m -1），这表明GACM具有补偿组织中电生理传导的潜力。此外，CNT-Thy的掺入使不同频率下的界面电阻显著降低了一个数量级以上，这归因于CNT-Thy的桥接作用促进了电阻电流（图2O）。

图2. GACM的力学、黏附和电学性能。

GACM增强体内轴突再生和髓鞘再生

为了评估GACM对轴突再生和髓鞘再生能力的影响，作者在CNI后30天收集海绵状神经组织，并在纵向神经切片上进行免疫荧光染色（图3A）。Schwann细胞具有独特的去分化能力，它能重新进入细胞周期，随后使轴突髓鞘再生，使其在神经再生中发挥重要作用。实验结果表明，与模型组相比，GAC和GACM处理后Schwann细胞的数量增加（图3B）。这些结果表明，GAC水凝胶可以通过模拟神经组织生物电活性和引入免疫调节加速神经修复的美沙康酸盐来促进神经再生。

为了进一步评估不同组再生神经横截面的髓鞘再生，作者通过实验表明，GACM组能形成比模型组更大的再生神经髓鞘（图3D），并且再生的髓鞘数量更多、形状规则，髓鞘更厚，更发达（图3E）。这些结果反映了GACM组再生神经改善了轴突功能和完整性以及髓鞘再生。

图3. GACM促进体内海绵状神经再生。

GACM用于比格犬模型的微创手术

作者使用比格犬模型来验证GACM在临床机器人辅助腹腔镜骨盆手术中的可用性和便利性（图4A）。作者按照标准化手术程序对GACM进行原位黏附，以验证机器人辅助腹腔镜操作的可行性（图4B）。结果表明，可喷雾GACM可均匀地输送到海绵状神经，并可原位凝胶化。术后两个月，作者提取海绵状神经组织，并进行NF免疫荧光染色，以识别海绵状神经中的神经纤维。与用GACM治疗的大鼠相似，GACM组神经组织中NF的表达显著高于模型组（图4C-D）。这些发现表明，GACM水凝胶可以微创地输送到受伤的海绵状神经，并促进比格犬海绵状神经的修复。

图4. GACM用于比格犬模型的微创手术。

小结

该工作首次开发了一种用于海绵状神经再生和恢复勃起功能的新型甲磺酸酯包封的黏性导电水凝胶喷雾。GACM水凝胶喷雾可以轻松应用于腹腔镜手术，以实现GACM和损伤神经之间的保形接触。GACM优异的黏附性、抗溶胀性和导电性使其能够有效地黏附在海绵状神经上，促进轴突延伸。此外，美沙康酸盐的释放有利于减少组织炎症，影响Schwann细胞的迁移和增殖。GACM水凝胶喷雾被证实具有促进海绵状神经修复、恢复勃起功能和生育能力的功效。此外，作者还通过比格犬模型进一步验证了可喷涂GACM在微创手术中的可行性。该工作验证了GACM喷雾在增强神经修复方面的功效，该可喷涂GACM水凝胶材料有望成为下一代微创神经修复材料。

文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202311264

来源：高分子科学前沿

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