《Materials Today Bio》：Injectable Chitosan-Based Hydrogel Via In Situ Gelation Modulates the Inflammatory Microenvironment and Facilitates Minimally Invasive Repair of Peripheral Nerve Injury
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本研究针对非横断性周围神经损伤修复中炎症控制、轴突再生支持和微创治疗的需求，开发了一种基于壳聚糖(CS)的可注射水凝胶(IBU-CS-GP)。研究人员通过将布洛芬(IBU)与CS共价偶联，解决了传统CS系统在酸性条件下溶解与京尼平(GP)交联pH不匹配的难题，实现了近生理pH条件下的原位凝胶化。该水凝胶在大鼠坐骨神经挤压模型中展现出持续的药物释放、良好的免疫调节和抗氧化功能，能够抑制巨噬细胞炎症活化、促进M2表型极化，并间接增强内皮细胞和基质细胞的血管生成和基质重塑能力。实验结果表明，IBU-CS-GP水凝胶可显著改善步态恢复和神经传导速度，更好地保护腓肠肌质量和结构，促进有序的轴突再生。该研究为周围神经损伤提供了一种有前景的微创局部治疗策略，相关成果发表于《Materials Today Bio》。
周围神经损伤是交通事故、职业创伤和医源性损伤的常见后遗症，约18%的肢体创伤患者会受到影响。这类损伤不仅给患者带来长期的功能障碍和生活质量负担，尽管显微外科修复技术取得了进步，许多患者仍然存在感觉和运动缺陷，需要长期康复甚至二次手术。特别是对于神经挤压伤等非横断性损伤，神经干通常保持连续，传统的广泛开放手术往往不是首选，临床迫切需要一种能够支持神经原位再生的微创便捷局部治疗方法。
在这一背景下，可注射水凝胶因其能够以液体形式通过注射器输送，然后在温度、pH或化学交联作用下发生原位凝胶化，成为神经再生局部给药的重要策略。壳聚糖(CS)作为一种从甲壳素脱乙酰化得到的阳离子多糖，因其良好的生物相容性、生物可降解性以及固有的止血和抗菌活性，被广泛用于周围神经导管和相关支架。然而，壳聚糖作为一种弱碱性多糖，其C2–NH2基团的pKa值为6.5，在生理pH(7.4)下几乎不溶于水，这显著限制了其在中性pH环境中的应用，如可注射系统和体内使用的组织工程水凝胶。
为了解决这些挑战，上海交通大学医学院附属第六人民医院国家骨科中心的翟云浩、关向恒、鲁操睿等研究人员在《Materials Today Bio》上发表了一项创新研究，他们开发了一种可注射的壳聚糖基水凝胶(IBU-CS-GP)，通过将布洛芬(IBU)与壳聚糖(CS)共价偶联，并利用京尼平(GP)作为天然交联剂，成功实现了在近中性pH条件下的原位凝胶化，为周围神经挤压损伤的微创修复提供了新策略。
研究人员采用了几项关键技术方法开展本研究。他们通过EDC/NHS碳二亚胺化学法将IBU接枝到CS上形成IBU-CS复合物，随后用GP进行交联制备IBU-CS-GP水凝胶。通过扫描电子显微镜(SEM)观察水凝胶微观结构，使用万能试验机评估力学性能，并采用UV-visible spectrophotometry测定IBU释放曲线。体外实验包括溶血试验评估血液相容性，菌落计数法分析抗菌活性，流式细胞术检测巨噬细胞极化，RT-PCR分析炎症因子表达，以及血管生成和细胞迁移实验。体内研究采用SD大鼠坐骨神经挤压伤模型，通过步态分析、电生理检测、组织学染色和透射电镜(TEM)评估水凝胶的神经修复效果。
3.1. IBU-CS-GP水凝胶表现出良好的结构和物理化学性质
研究结果显示，IBU-CS-GP水凝胶具有典型的孔隙结构，平均孔径为192±80μm，孔隙率为52.6±3.6%。在力学性能方面，IBU-CS-GP的峰值压缩强度达到18.7±6.4kPa，断裂应变为50.1±4.1%，表现出良好的机械稳定性。降解实验表明，IBU-CS-GP在28天后仍保留35.9±6.2%的初始干质量，而CS-MA水凝胶在21天时已完全降解。药物释放曲线显示，前7天水凝胶释放约60%的载药IBU，随后释放速率减慢，至28天时接近完全释放，呈现出缓慢持续的释放特性。
3.2. IBU-CS-GP水凝胶在体外表现出高抗菌效果
抗菌实验表明，IBU-CS-GP水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有显著的抑制作用，归一化存活率分别为33.9±2.2%和50.7±2.3%，与CS-MA和CS-GP水凝胶无显著差异，表明改性后的壳聚糖基水凝胶保留了显著的抗菌活性。
3.3. IBU-CS-GP水凝胶表现出良好的生物安全性
血液相容性评估显示，水凝胶促进血栓形成，凝血指数显著低于纱布对照组，溶血率均≤5%，符合ISO 10993-4标准。细胞实验表明，HUVECs、L929细胞和RAW264.7细胞在所有水凝胶条件培养基中均保持高活力。主要器官的组织学检查未发现明显损伤，表明良好的体内生物相容性。
3.4. IBU-CS-GP水凝胶通过调节巨噬细胞极化和清除活性氧/氮物种发挥抗炎和抗氧化作用
流式细胞术分析显示，IBU-CS-GP水凝胶条件培养基处理后，CD206+M2型巨噬细胞和CD86+M1型巨噬细胞的百分比均增加。RT-PCR分析表明，IBU-CS-GP显著下调促炎细胞因子TNF-α的表达，同时上调抗炎细胞因子IL-4的表达。此外，IBU-CS-GP能显著降低LPS刺激的巨噬细胞内活性氧(ROS)和一氧化氮(NO)水平，表现出较强的ROS清除能力。
3.5. IBU-CS-GP水凝胶促进血管生成和细胞迁移
试管形成实验显示，IBU-CS-GP组处理的HUVECs形成了更显著的毛细血管样网络，分支点数量(32.0±6.6)显著高于其他组。划痕实验和Transwell迁移实验表明，IBU-CS-GP条件培养基能显著增强HUVECs和L929细胞的迁移能力，迁移率分别达到82.3%±2.9%和83.2%±1.0%。
3.6. IBU-CS-GP水凝胶改善坐骨神经传导并促进功能恢复
大鼠坐骨神经挤压伤模型实验显示，IBU-CS-GP治疗组在步态功能恢复方面表现最佳，第28天时坐骨神经功能指数(SFI)显著改善。电生理记录表明，IBU-CS-GP组的神经传导速度(NCV)和复合肌肉动作电位(CMAP)恢复指数均显著高于对照组。腓肠肌湿重比率显示，IBU-CS-GP组能更好地保护肌肉质量，减轻去神经诱导的肌肉萎缩。
3.7. IBU-CS-GP水凝胶通过促进雪旺细胞募集和轴突生长改善髓鞘完整性和肌肉质量
组织学分析显示，IBU-CS-GP组再生神经组织中NF200和S100β阳性信号更强，表明轴突再生和雪旺细胞募集更为活跃。Masson三色染色显示，IBU-CS-GP组腓肠肌胶原纤维面积比例最低，肌肉纤维化程度最轻。透射电镜分析表明，IBU-CS-GP组髓鞘厚度显著增加，g-ratio(轴突内径与纤维外径之比)显著降低，表明髓鞘成熟度更高。
研究结论表明，IBU-CS-GP水凝胶成功解决了壳聚糖在中性pH下溶解性与京尼平交联最优pH不匹配的难题，实现了在近生理pH条件下的原位凝胶化。该水凝胶通过调节巨噬细胞极化、降低氧化应激、促进血管生成和细胞迁移，创造了一个有利于神经再生的微环境。在坐骨神经挤压伤模型中，IBU-CS-GP水凝胶能显著促进轴突再生、髓鞘形成和功能恢复，同时减轻靶肌肉的纤维化。
这项研究的重要意义在于开发了一种具有免疫调节和持续抗炎功能的可注射水凝胶，为周围神经挤压损伤的微创治疗提供了新策略。与当前侧重于赋予材料特定物理性能（如导电性、各向异性拓扑）的神经修复水凝胶设计策略不同，本研究强调对周围神经损伤微环境的调控，通过化学接枝布洛芬直接靶向损伤后的炎症级联反应。这种针对早期炎症微环境的免疫调节作用为促进周围神经再生提供了关键途径，是对物理因素的重要补充。研究成果为可注射水凝胶在周围神经修复中的临床转化提供了实验依据和更系统化的评估。
