基于微流体制造的神经鞘模拟构建

In the process of nerve regeneration, the re-establishment of a connection between neurite and remote target organ is the way to achieve the recovery of neurological function, in which, the directed growth of neurite along the Schwann cell constituted myelin is the key to the connection formation. Our study attempts to biofabricate myelin-like structure to realize nerve regeneration on the basis of microfluidic technology. Using the laminar flow effect of microfluidic channels and self-assembled amphiphilic peptides, the micro-sclaled fiberous tube with a similar structure of the natural nerve can be synthesized and further assembled into directed nerve bundle. Myelin cell-schwann cells were encapsulated in this myelin-like microtube to develop an oriented growth through contact guidance with the aligned peptide amphiphile nanofibers, organized spatially by the applied fluid ?ow prior to gelation. This microtube containing aligned schwann cells simulates the specific structure of myelin, and thus holds great potential to induce outgrowth of neurite. The diversity of peptide designing endows the material not only the ability of self-assembly and microfluidic molding, but also an amenable modification by inserting functional peptide fragment to promote cell adhesion and differentiation. This accordingly establishes a matrix with structural and founctional biomimetic myelin, inducing directional growth of neurite and laying the foundation for nerve regeneration.

在神经再生过程中，神经轴突重新建立与远端靶器官的连接是实现神经功能恢复的途径，而在此过程中轴突沿雪旺细胞形成的神经鞘（髓鞘）生长是形成神经元与靶器官连接的关键。本研究拟基于微流体技术模拟构建类神经鞘结构实现神经再生。设计可自组装双亲性多肽，利用微流体通道的层流效应，获得具有神经纤维微结构特征的凝胶微管模拟神经鞘结构，并定向组装形成类神经纤维束。在这个模拟神经鞘的纤维微管结构中，凝胶微管壁包裹了神经鞘的功能细胞--雪旺细胞，自组装多肽在流体剪切应力作用下形成纳米尺度范围的纤维定向排列，可诱导雪旺细胞定向排列生长，定向排列的雪旺细胞构成的空心微管具有神经鞘的结构特征，进而可望实现其对神经轴突生长的诱导作用。多肽设计既赋予其自组装及微流体成型功能，并通过功能肽片段的插入获得促进细胞粘附和诱导神经细胞分化的功能，从而建立神经再生的基质功能与神经鞘结构模拟，诱导神经轴突定向生长，为神经再生奠定基础。

本项目核心学术思想为：在神经再生过程中，神经轴突重新建立与远端靶器官的连接是实现神经功能恢复的途径，而在此过程中轴突沿雪旺细胞形成的神经鞘（髓鞘）生长是形成神经元与靶器官连接的关键。本项目结合材料功能设计和微流体制造技术构建类神经鞘结构：活性材料的设计与应用赋予基质材料细胞粘附活性，通过微流体技术，利用流体剪切应力实现凝胶中纳米取向纤维结构；同时，利用微流体通道的层流效应，制造装载雪旺细胞的类神经鞘的凝胶空管。凝胶中纳米纤维的取向结构可诱导雪旺细胞的取向铺展，定向排列的雪旺细胞构成的空心微管具有神经鞘的结构特征，进而可望实现其对神经轴突生长的诱导作用。.经过项目实施，本项目主要在如下几个方面取得进展：通过材料设计优化，获得了既具有粘附活性，又具有纤维结构，又符合微流体制造技术的生物活性材料体系，实现神经细胞外基质的模拟，支持神经细胞的三维生长与存活；通过微流体装置的设计、参数优化，获得了对基质材料微纳米取向结构的调控，实现了对神经细胞外基质纤维取向结构的模拟，基质微纳米尺度的取向结构显著增强了细胞铺展及功能表达；基于微流体制造技术，成功构建类髓鞘化结构：基质微纳米尺度取向纤维所构成的三维微环境对神经细胞存活、铺展及分化功能具有促进作用，分别包裹雪旺细胞与神经元细胞的核壳结构纤维实现了雪旺细胞定向排列的髓鞘化仿生构建，通过考察仿生髓鞘的制造对于神经元细胞取向及轴突生长的促进作用，证实了本研究的设计思想：髓鞘化结构的仿生构建有利于神经元轴突的生长，并促进神经再生功能。.该研究综合现有微流体技术特色和神经再生的基本生物原理，开辟了诱导神经再生的新途径，对于建立新的仿生组织构建提供了新途径，具有重要的应用前景；同时，本研究对阐明细胞外基质微环境对于细胞功能的建立及组织再生的机制具有重要的科学意义。