武漢理工AM：仿生電鰻！可降解水凝膠電池為神經修復提供“自供能”新方案

全球每年約有500萬人因交通事故、工傷、運動損傷等原因遭受周圍神經損傷，不僅嚴重損害患者生活質量，更帶來高達數百億美元的醫療負擔。盡管電刺激已被證實能夠有效促進神經再生，但現有技術面臨能量供應受限、長期穩定性差、需二次手術取出等臨床難題。近日，武漢理工大學戴紅蓮教授、伍小沛博士和武漢大學中南醫院喻愛喜教授合作，受電鰻放電機制啟發，他們成功開發出一種完全可降解的自供能水凝膠神經導管，為周圍神經修復提供了全新的解決方案。相關論文以“Eel-Inspired Self-Powered Hydrogel Nerve Conduit: A Fully Degradable Scaffold for Peripheral Nerve Repair”為題，發表在Advanced Materials上。

該研究團隊開發了一種名為“電鰻仿生離子凝膠電池”的創新型水凝膠神經導管。該材料以殼聚糖、硫酸軟骨素和羥乙基纖維素等天然多糖為原料，通過層層自組裝技術，模擬電鰻電器官的多層結構，實現了機械性能與電導性能的協同優化。體外實驗證實，該導管能穩定、持續地產生生物電信號；體內大鼠坐骨神經損傷模型研究表明，植入該新型導管的實驗組在神經再生速度和功能恢復方面均顯著優于傳統神經導管。組織學和電生理分析進一步證實，該電池產生的微弱電流能有效激活施萬細胞、引導軸突有序生長并促進髓鞘形成。

圖1 | 電鰻電器官的形態特征與功能機制及自供能神經導管的構建。 （A）電鰻的解剖結構。（B）電細胞產生電壓的機制。（C）陰離子選擇性水凝膠和陽離子選擇性水凝膠合成的分子式。（D）EE-iHB產生電壓的機制。當水凝膠未接觸時，未檢測到電壓（上圖）；機械接觸（下圖）允許離子通過交替的離子選擇性膜，從而產生電勢。（E）EE-iHB的制備。（F）電刺激在神經組織修復過程中激活的信號通路示意圖。

研究團隊首先解決了傳統神經導管材料疏水性強、生物相容性不足的問題。他們將甲基丙烯酰化殼聚糖摻入聚己內酯基質中，通過靜電紡絲技術制備出高親水性薄膜。實驗表明，當殼聚糖含量達到1%時，水接觸角從124.4度驟降至24.9度，親水性大幅提升，同時拉伸應力和楊氏模量分別達到997.3 kPa和82.5 MPa，兼顧了優異的機械強度。掃描電鏡圖像顯示，殼聚糖的摻入并未改變聚己內酯纖維的微觀形貌，纖維直徑穩定在0.41至0.46微米之間。這些改良后的薄膜被卷繞在中空管上，構成了神經導管的主體結構。

圖2 | PCL-CSMA電紡膜和水凝膠的制備與表征。 （A）靜電紡絲神經導管制備示意圖。（B）不同CSMA摻雜比例的PCL電紡膜掃描電鏡圖像。（C）不同CSMA摻雜比例的PCL電紡膜水接觸角。（D）不同CSMA摻雜比例的PCL電紡膜纖維直徑統計分析。（E,F）不同CSMA摻雜比例PCL電紡膜的應力-應變曲線和拉伸模量（n=3）。（G,H）不同濃度QCS水凝膠的應力-應變曲線和壓縮模量（n=3）。（I,J）不同濃度HEC水凝膠的應力-應變曲線和壓縮模量（n=3）。（K-M）CS（K）、HEC（L）和CSA（M）改性前后的FTIR表征光譜。（N）水凝膠頻率掃描（0.01-100 rad/s，1%應變）儲能模量（G'）曲線。（O）水凝膠旋轉應變掃描（0.01-10000%應變，10 rad/s）儲能模量（G'）曲線。（P）HEC-MA、QCS-MA和CSA-MA水凝膠轉化率與光交聯時間的關系（儲能模量G'和損耗模量G''）。p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001。

在仿生電池設計方面，研究團隊構建了一個五層異質水凝膠結構，依次為高鹽凝膠、陽離子選擇膜、低鹽凝膠、陰離子選擇膜和高鹽凝膠，完美復刻了電鰻電器官的離子梯度放電機制。傅里葉變換紅外光譜和核磁共振氫譜驗證了各層水凝膠材料的成功合成。流變學測試表明，所有光交聯水凝膠在紫外照射79秒后儲能模量均顯著超過損耗模量，形成了穩定的交聯網絡。壓縮循環測試顯示，經過75次加載-卸載循環后，水凝膠仍能保留82.1%的原始壓縮模量，展現出優異的抗疲勞性能。

電學性能測試是本研究的關鍵亮點。研究團隊發現，將4個凝膠單元串聯或并聯后，電壓和電流均實現4倍提升。在對比了鈉、鉀、鋅、鍶、鈣、鎂等多種鹽離子后，鎂離子因其低細胞毒性、高離子強度以及能夠激活PI3K/Akt信號通路促進軸突生長的獨特優勢被選為最佳電解質。含有2摩爾每升鎂離子的凝膠電導率可達0.042西門子每米。在優化的濃度梯度下，該離子凝膠電池可產生約150毫伏的穩定電壓。更重要的是，該電池在60小時內仍能保留51.2%的陽離子和70.1%的陰離子，保證了持續的電輸出能力。外部壓力從0.5牛頓增加至10牛頓時，輸出電壓從172毫伏升至353毫伏，顯示出機械刺激對電性能的調控作用。

圖3 | EE-iHB的電輸出性能。 （A）不同連接方式下iHB的照片。（B）具有不同串聯和并聯連接的多單元EE-iHB的照片。（C）不同連接方式的EE-iHB的開路電壓和短路電流。（D）不同負載電阻下不同數量單元串聯或并聯時的歸一化電流和電壓。（E）不同鹽離子的EE-iHB開路電壓和短路電流。（F）含不同濃度MgCl2的HEC-MA水凝膠的奈奎斯特圖。（G）含不同濃度MgCl2的HEC-MA水凝膠的電導率。（H）不同濃度梯度下EE-iHB的開路電壓。（I）不同HEC-MA/CSA-MA比例下EE-iHB的開路電壓和短路電流。（J）不同QCS-MA濃度下EE-iHB的開路電壓和短路電流。（K）陽離子選擇性和陰離子選擇性水凝膠的離子保留性能。（L,M）陽離子選擇性和陰離子選擇性水凝膠中離子保留率隨時間的變化（n=3）。

生物相容性評估顯示，即使在高濃度鎂離子環境下，大鼠施萬細胞存活率仍保持在74%以上，巨噬細胞未見明顯凋亡。劃痕實驗表明，電刺激組在24小時內的傷口愈合率達81.6%，顯著高于對照組。免疫熒光染色證實，電刺激使CD31和血管內皮生長因子的熒光強度分別上調3.0倍和2.6倍，展現出強大的促血管生成能力。同時，電刺激還顯著降低了巨噬細胞中CD86和腫瘤壞死因子α的表達，提示其具有抗炎和免疫調節功能。蛋白質印跡實驗進一步揭示，電刺激組PI3K和Akt的磷酸化水平分別比對照組提高了2.25倍和1.57倍，激活了關鍵的促存活信號通路。

圖4 | 細胞遷移、成管及毒性實驗。 （A）不同Mg2+濃度下RSCs的活/死染色。（B）電刺激對HUVECs在0至24小時內遷移的影響。（C）不同支架共培養的巨噬細胞中CD86和TNFα的免疫熒光染色。（D）VEGF/CD31的免疫熒光染色圖像。（E）不同Mg2+濃度下RSCs存活率的統計結果（n=3）。（F）12和24小時劃痕愈合率的統計數據。（G,H）術后24小時CD86、TNF-α免疫熒光結果（n=5）。（I,J）HUVECs培養24小時后CD31和VEGF的熒光染色圖像（n=5）。p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001。

圖5 | 電刺激促進血管生成。 （A）PI3K/Akt信號通路示意圖。（B）PI3K和Akt蛋白表達的蛋白質印跡檢測。（C,D）p-PI3K和p-AKT的蛋白質印跡灰度統計圖（n=3）。（E）使用8小時成管實驗評估電刺激對HUVECs的促血管生成效果（n=4）。（F）HUVECs形成小管數量的統計數據（n=4）。（G）HUVECs小管分支節點數量的統計數據（n=5）。（H）術后1周近端神經CD31和VEGF的免疫熒光染色。（I,J）CD31和VEGF的熒光染色統計數據（n=5）。p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001。

轉錄組測序分析為電刺激的治療機制提供了分子層面的證據。主成分分析顯示電刺激組與對照組之間存在顯著的基因表達差異，共鑒定出1616個差異表達基因，其中874個上調、742個下調。基因本體論富集分析表明，這些差異基因與炎癥反應、免疫應答、細胞黏附和軸突生長密切相關。京都基因與基因組百科全書富集分析顯示，電刺激顯著下調了NF-κB、腫瘤壞死因子和白細胞介素-17等炎癥相關信號通路，同時上調了三羧酸循環通路，提示電刺激可能通過調控代謝狀態促進巨噬細胞表型轉換。基因集富集分析進一步證實，鈣信號通路、肌動蛋白絲結合和AMPK信號通路在電刺激組中顯著上調。

圖6 | ES對炎癥、纖維化和再生的調控。 （A）差異表達基因火山圖。（B）GO富集條形圖（細胞黏附、炎癥和神經生長）。（C）KEGG通路基因集富集分析。（D）GO基因集富集分析。（E）KEGG富集散點圖（細胞黏附、信號轉導、炎癥和神經再生）。（F）熱圖顯示與空白對照組相比，選定炎癥相關基因表達水平的相對變化。

動物實驗結果是驗證該導管療效的關鍵。術后4周的組織學分析顯示，電刺激組中NF200和S100的熒光強度均顯著高于對照組和水凝膠組，僅次于自體神經移植組——后者被視為神經修復的“金標準”。Ki67細胞增殖標記物的檢測結果表明，電刺激組的細胞增殖活性同樣僅次于自體移植組，證實電刺激促進了施萬細胞等神經相關細胞的增殖。術后12周，甲苯胺藍和固藍染色定量分析顯示，電刺激組的施萬細胞密度和髓鞘陽性面積均顯著優于對照組。透射電鏡圖像進一步證實，電刺激組的髓鞘密度、髓鞘厚度和軸突直徑均僅次于自體移植組。電生理檢測顯示，電刺激組的復合肌肉動作電位振幅為50.61毫伏，神經傳導速度為52.8米每秒，分別達到自體移植組的76.4%和84.8%。坐骨神經功能指數計算結果顯示，電刺激組為-62.34，顯著優于對照組的更低數值。腓腸肌濕重比和肌纖維形態分析也證實電刺激有效減輕了失神經性肌萎縮。安全性評估表明，術后12周各主要臟器未見明顯損傷，組織中的鎂離子濃度維持在正常生理范圍內，殼聚糖寡糖幾乎檢測不到，證實了該材料的長期生物安全性。

圖7 | 體內坐骨神經再生評估。 （A）植入裝置的照片。（B）術后4周神經組織DAPI、NF200、S100和Merge的免疫熒光染色。（C）術后1周近端神經Ki67的免疫熒光染色。（D,E）NF200和S100熒光強度的統計數據（n=4）。（F）術后1周Ki67熒光強度的統計數據（n=5）。p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001。

圖8 | 電刺激改善軸突形態并促進運動功能恢復。 （A）術后12周坐骨神經HE、LFB和TB染色。（B）再生軸突的透射電鏡圖像。（C）大鼠足跡采集與測量示意圖。（D）大鼠足跡典型圖像（健側：紅色；患側：藍色）。（E）大鼠電生理曲線。（F,G）術后12周大鼠腓腸肌對比圖像（左：健側；右：患側）及患側Masson三色染色。比例尺：200 μm。（H）LFB染色圖像中髓鞘陽性面積百分比的統計結果（n=4）。（I）TB染色圖像中施萬細胞陽性面積百分比的統計結果（n=5）。（J）12周時SFI值（n=5）。（K）腓腸肌濕重比（患側/健側）統計結果。（L）再生神經神經傳導速度的統計數據（n=5）。p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001。

圖9 | 電刺激改善軸突形態并促進運動功能恢復。

總結而言，這項受電鰻啟發的完全可降解離子凝膠電池，通過持續電刺激、抗炎調控和促血管生成的協同作用，為周圍神經修復提供了創新性解決方案。與傳統材料相比，該水凝膠的放電持續時間延長了3至5倍，術后12周神經傳導速度恢復率達79.6%，顯著高于對照組的46.4%。研究者指出，該材料在大型動物模型中的長期生物安全性、針對不同損傷類型的個性化優化以及外部電路控制系統開發等方面仍有待進一步探索。該研究建立的多功能設計范式為開發下一代神經再生療法開辟了新的可能。