针对上述问题，西安交通大学魏钊和徐峰团队受维管植物梯度毛细管输送养分的启发，利用丝素蛋白水凝胶构建了一种“力诱导多通道神经导管”（FI-MNGC）。该导管采用具有梯度孔径的多通道设计，无需任何外部刺激或能源，即可产生自发的增强毛细管力。这种物理力不仅能促进轴突的定向生长，还能驱动施万细胞向神经缺损的远端定向迁移。研究人员在大鼠（16 mm缺损）和兔（30 mm缺损）的长距离坐骨神经损伤模型中进行了验证，结果显示FI-MNGC能显著加速神经修复进程，其在神经再生、功能恢复和修复速度方面均达到了与自体神经移植相当的效果，为长距离周围神经损伤的临床治疗提供了一种极具潜力的自体移植替代方案。该文章于2025年11月28日以《A Bioinspired Force-Inducible Hydrogel Conduit for Peripheral Nerve Regeneration》为题发表于《Advanced Materials》（DOI：10.1002/adma.202516449)。

（1）增强的机械性能和亲水性优化了丝素基水凝胶的功能

本研究受维管植物梯度毛细管结构启发，利用丝素蛋白（SF）基水凝胶构建了具有梯度孔径的力诱导多通道神经导管（FI-MNGC），该结构无需外部刺激即可产生毛细管力，在大鼠（16 mm）和兔（30 mm）长距离坐骨神经缺损模型中有效促进了轴突定向生长及施万细胞递送（图1a,b）。为增强材料性能，通过引入聚丙烯酰胺（PAM）和聚乙二醇（PEG）构建了互穿网络结构的ASP系列水凝胶（图1c）。材料表征结果显示，随着AM含量的增加，水凝胶的溶胀率呈现上升趋势（图1d）。在机械性能方面，ASP-2表现出最优的弹性模量（302.7 kPa）和极限拉伸强度（103.6 kPa）（图1e–g），以及最高的压缩模量（114.6 kPa）（图1i），各组间断裂拉伸应变无显著差异（图1h）。循环压缩测试证实ASP-2在200次循环后仍能保持稳定的载荷-位移曲线，具备良好的抗疲劳性（图1j）。此外，随着AM含量增加，材料的水接触角从69.2°降至33.6°，显示亲水性增强（图1k），而体外酶解失重率则从26.5%降至16.3%（图1l）。综合机械强度、亲水性及降解速率等指标，ASP-2被确定为构建神经导管的最佳材料。

图1 ASP水凝胶构建的仿生力诱导神经导管（FI-MNGC）的设计与表征。（a，b）植物维管梯度结构启发及FI-MNGC修复长距离神经缺损的示意图；（c）ASP水凝胶的制备示意图；（d）水凝胶的溶胀动力学；（e-h）水凝胶的拉伸性能表征，包括拉伸实物图、弹性模量、极限拉伸强度及断裂应变；（i，j）水凝胶的压缩模量及200次循环压缩抗疲劳测试；（k）水凝胶的润湿性表征；（l）水凝胶的体外降解性能。

（2）增强的毛细力在FI-MNGC促进优越的液体和细胞运输对抗重力

理论模拟与实验评估证实，将孔径从底部的600 µm递减至顶部的200 µm能显著增强液体的反重力传输能力（图2a,b）。纵向光学成像与SEM分析确认了这种梯度锥形微通道结构的成功制备（图2c），横截面图像显示孔径自下而上呈现梯度减小趋势（图 2d）。机械性能测试表明，FI-MNGC具备优异的结构稳定性与形变能力，其弯曲角度（60°）与商业化神经支架相当（图2e）。在液体动力学评估中，FI-MNGC实现了液滴在8秒内上升10 mm的快速传输（图 2f），速率显著优于均匀孔径对照组（图2g）；水印扩散实验进一步证实了液体在导管顶部的有效传输与滞留（图2h,i）。细胞运输实验显示，底部接种的施万细胞能够沿微通道定向迁移并聚集于顶部（图2j），且表现出更佳的细胞铺展与生长状态（图2k–m）。基于物理模型的分析指出，梯度微通道引起的液体曲率差异产生了拉普拉斯压差及增强的毛细管力（图2n），从而为细胞的定向递送提供了物理基础。

图2 FI-MNGC反重力传输水和细胞的性能表征。（a，b）水反重力传输能力的理论模拟及高度随时间的变化；（c，d）FI-MNGC的外观、微观截面形貌及不同部位的孔径分布；（e）FI-MNGC在弯曲、扭转和拉伸下的机械性能展示；（f，g）U-MNGC与FI-MNGC反重力输水的光学图像及毛细上升高度随时间的变化；（h，i）两种导管顶部和底部的水扩散图像及扩散面积随时间的变化；（j）导管上施万细胞的活死染色；（k-m）施万细胞的F-actin染色、纵切面细胞面积及铺展分析；（n）液滴反重力定向传输的机制示意图。

（3）FI-MNGC促进长间隙PNI的功能恢复和神经再生

为评估长距离神经缺损的修复效果，在16 mm大鼠坐骨神经缺损模型中移植了预接种施万细胞的导管（FI-MNGC@S）（图3a）。步态分析显示FI-MNGC@S与自体移植组的脚趾展开度更宽（图3b），且坐骨神经功能指数（SFI）随时间推移显著改善，恢复水平优于其他各组（图3c）。Masson三色染色表明，FI-MNGC@S和自体移植组的腓肠肌胶原沉积较少，保留了更多的肌纤维，有效缓解了肌肉萎缩（图3d,e）。电生理检测结果证实，这两组的复合肌肉动作电位（CMAP）振幅和神经传导速度（NCV）均显著高于中空及均匀通道对照组（图 3f,g）。透射电镜（TEM）进一步揭示了微观结构的恢复（图3h），定量分析显示FI-MNGC@S组和自体移植组的轴突直径显著增加（图3i），髓鞘厚度增加（图3j），且G-ratio显著降低（图3k），证实了该导管结构能有效促进轴突再生及髓鞘化进程。

图3 大鼠16 mm神经缺损修复的功能恢复与神经再生评估。（a）体内实验流程示意图；（b）步态测试示意图；（c）不同时间点的坐骨神经功能指数（SFI）统计；（d，e）腓肠肌Masson三色染色图像及胶原阳性面积占比；（f，g）术后8周再生神经的电生理信号及复合肌肉动作电位（CMAP）振幅；（h）轴突和髓鞘再生的透射电镜（TEM）图像；（i-k）轴突直径、髓鞘厚度及G-ratio的定量分析。

（4）FI-MNGC促进远端神经轴突生长和血运重建

通过对术后再生神经桥接段进行免疫荧光染色，评估了远端神经的再生与血管化水平。S-100和NF 200的染色结果显示，在术后4周和8周，FI-MNGC@S组远端神经内的施万细胞分布面积均显著高于自体移植组及其他对照组（图4a,b），且该组与自体移植组的再生神经纤维密度无显著差异，均优于其他各组（图 4a,c）。CD31染色评估血管化程度发现，FI-MNGC、FI-MNGC@S及自体移植组的血管密度和直径均显著高于中空及均匀通道对照组（图4d,e）。纵切面GAP-43染色表明，FI-MNGC组再生轴突的表达量显著高于均匀通道组（图4f,g），定量分析证实了该结构能有效促进轴突的定向生长并提高轴突密度（图4h）。此外，S-100与CD206双重染色显示，FI-MNGC通过诱导M2型巨噬细胞极化，有效促进了施万细胞的协同迁移（图4i）。

图4 神经再生与血管化评估。（a-c）再生神经组织的S-100和NF 200免疫荧光染色及其定量表达分析；（d，e）再生神经血管的CD31免疫荧光染色及定量分析；（f，g）神经纵切面的GAP-43免疫染色及表达水平；（h，i）有髓轴突及CD206的定量统计。

（5）FI-MNGC促进兔30 mm神经缺损的功能恢复和神经再生

为验证大动物长距离神经缺损的修复效果，在兔30 mm坐骨神经缺损模型中进行了评估。术后3个月，神经缺损得到良好修复，导管完全降解（图5a）。踝关节运动角度评估显示FI-MNGC@S组的恢复效果优于自体移植组（图5b）。腓肠肌形态评估（图5c）、湿重比分析（图5e）及Masson三色染色（图5d）结果表明，FI-MNGC@S组与自体移植组在肌肉萎缩缓解及肌纤维再生方面无显著差异（图5f）。甲苯胺蓝染色证实两组均形成了大量有髓神经纤维，且FI-MNGC@S组的轴突直径显著大于自体移植组（图5g,h）。纵切面免疫荧光显示FI-MNGC@S组远端施万细胞分布面积增加（图5i），轴突从近端向远端呈连续性生长（图 5k,m），且横切面中S-100和NF 200的表达水平与自体移植组相似（图5j,l,n），证实该导管能有效促进大动物长距离神经缺损的再生修复。

图5 兔30 mm神经缺损修复的功能恢复与神经再生评估。（a）神经再生大体图像；（b）不同时期的踝关节运动角度评估；（c-f）腓肠肌的大体形态、Masson染色及湿重比与肌纤维的统计分析；（g，h）再生神经横切面的甲苯胺蓝染色及轴突直径定量分析；（i-l）再生神经纵切面及横切面的S-100和NF 200免疫荧光图像；（m，n）有髓轴突及S-100表达水平的定量分析。

（6）测序分析揭示了FI-MNGC诱导神经再生的分子机制

通过对再生坐骨神经进行RNA测序分析，火山图显示FI-MNGC组相比对照组共有819个基因上调和223个基因下调（图6a）。GO富集分析表明，显著上调的基因主要集中在细胞外基质、远端轴突、生长锥、细胞黏附分子结合及髓鞘形成等相关条目（图6b）；KEGG通路富集分析则突出了钙信号通路、cAMP信号通路、PI3K-Akt信号通路及轴突导向通路（图6c）。qPCR进一步证实了机械转导蛋白（PIEZO1）、钙信号（Camk2g）、PI3K-Akt（Akt1）及轴突导向（Ntrk2, Prkca, Ablim2）相关靶点的表达上调。结果揭示了FI-MNGC产生的物理力通过激活PIEZO1诱导钙离子内流，进而激活PI3K-Akt等下游信号级联反应以促进轴突定向再生与髓鞘化。

图6 FI-MNGC诱导神经再生的机制及修复效果对比。（a）差异表达基因的火山图；（b，c）差异基因的KEGG通路富集气泡图及GO富集条形图；（d）神经再生微环境及FI-MNGC@S加速神经再生的机制示意图；（e）本研究与其他已报道长距离神经导管的修复效果对比。