现代柔性电子技术的发展使生物电子材料成为体内人工组织。由于水凝胶更类似于神经组织，功能性水凝胶已成为生物电子学的一个很有前途的候选者。与此同时，功能性水凝胶和活体组织的接口处于生物电子学的前沿。周围神经损伤往往会导致瘫痪、慢性疼痛、神经紊乱甚至残疾，因为它影响了大脑和身体其他部位之间的生物电信号传输。

近日，来自江苏南京大学的沈群东教授团队研制了一种具有光刺激反应和可拉伸性的导电聚合物水凝胶(CPH)来探索人工神经。近红外光照射可提高CPH的电导率，促进生物电信号的传导。当CPH被机械地延长时，它仍然具有很高的传导耐久性，因此，可以容纳运动中的神经组织的意外应变。相关工作以“Conductive Hydrogel for a Photothermal-Responsive Stretchable Artificial Nerve and Coalescing with a Damaged Peripheral Nerve”为题发表在期刊ACS Nano。

图 1高柔性和近红外响应导电聚合物水凝胶替代受损的周围神经示意图

通过聚苯胺(PANI)和聚丙烯酰胺(PAM)的共聚，制备了导电性能优良、力学性能与神经组织相似、生物相容性好的坚韧导电水凝胶。PAM的酰胺键可以与苯胺分子相互作用，可原位吸附并诱导苯胺聚合，形成透明的PAM/PANI导电凝胶。冷冻干燥后，用扫描电镜(SEM)观察CPHs的横断面形态。与典型的水凝胶类似，CPHs表现出三维微孔泡沫网络。有利于三维水凝胶结构内的细胞穿透和组织形成(图2B,C)。与此同时，由于PANI的掺杂，制备型CPHs表现出良好的电学性能，即使它们被延长到原来长度的三倍(图2E,F)。

图2 导电聚合物水凝胶的制备及表征

如图3所示,CPH的电阻率(0.2 - 0.3Ω·米)远优于PAM，这是由于聚苯胺的掺杂。电化学阻抗谱(EIS)检测了CPH在PBS中的电活性。如图3B所示，PAM和CPH的Nyquist图在高频区域呈准半圆形，说明PAM和CPH都具有电荷转移的能力。此外，还模拟了CPH在体内替代受损神经的可行性和生物电信号在神经中的传导。如图3E所示，当神经完全受损时，生物电信号无法传输。将受损神经与CPH连接后，可恢复生物电信号传输功能。

图3 CPH的物理和电学性能

随后，作者选择离体的坐骨神经和腓肠肌，以验证CPH是否具有良好的导电性，并可作为体外植入式神经替代物。CPH替代神经组随着刺激电压的升高与坐骨神经组呈现相同的升高趋势(图4D)。另外，CPH置换术后坐骨神经的神经传导时间(CT)与完好的坐骨神经相似，提示CPH可在功能上替代受损神经(图4E)。这一现象进一步证明CPH可以替代受损神经，恢复继发性感觉功能。

图4 体外用CPH替代蟾蜍坐骨神经

为模拟外周神经损伤，采用臀背外侧肌分裂切口暴露坐骨神经，切除10 mm坐骨神经。然后，使用为种植体准备的线性CPH，将损伤神经与神经缝合连接。如图5B、C所示，经单相脉冲刺激后，横切神经组的CMAPs峰对称性与正常神经有显著差异。而CPH替代组与正常神经具有相似的峰对称性，说明CPH可以替代受损神经实现生物电信号的转导。

图5 在啮齿动物模型中用于坐骨神经的外科植入、手术和置换

综上所述，作者通过PANI和PAM的共聚制备了具有优良导电性、力学性能与神经组织相似、生物相容性好的韧性导电CPH。CPH的这些优异性能成功地在体外替代了受损的蛇脚蟾坐骨神经。此外，我们的体内数据显示，植入CPH作为高导电桥可以替代坐骨神经的缺失，表明CPH可以作为一种潜在的生物材料，在组织工程中替代受损的周围神经。

信息来源: EngineeringForLife

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