郑州大学黄霞教授团队:自供电液态金属-ZnO增强PVDF纳米纤维神经导管促进周围神经再生

液态金属-ZnO增强压电PVDF纳米纤维神经引导导管：自供电电刺激加速周围神经再生

本研究旨在开发一种兼具优异压电性、导电性和生物相容性的自供电NGC，通过内源性电刺激微环境，促进神经细胞行为并加速神经功能恢复

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    该研究通过静电纺丝结合水热合成法制备了PVDF/液态金属（LM）-ZnO复合纳米纤维神经导管（NGC）。首先，将PVDF与液态金属（镓铟合金）共混电纺，利用LM的局部偶极电场促进PVDF分子链形成β-晶相，提升压电性能。随后，通过水热法在纤维表面生长ZnO纳米花，进一步协同增强导电性与压电效应（图1）。材料表征显示（图2、图3），LM与ZnO的引入显著提高了PVDF的β-晶相含量（从54.7%提升至71.5%），压电系数（d₃₃）从0.9 pC/N大幅提升至4.6 pC/N，导电性亦满足神经信号传导需求（2.29×10⁻⁹ S/cm）。细胞实验（图4）表明，该导管支持PC12细胞、RSC96雪旺细胞和HUVEC内皮细胞的粘附、增殖和分化，并显著上调神经营养因子NT-3的表达。研究进一步构建了压电-摩擦电混合纳米发电机（PTNG），并与NGC集成形成自供电系统。该系统可将生理机械运动（如呼吸）实时转化为治疗性电刺激（ES）。体外实验证实，自供电NGC在促进神经细胞轴突伸长、定向排列及功能标志物表达方面优于外源性ES。体内动物实验（SD大鼠坐骨神经损伤模型）显示（图5），植入PVDF/LM-ZnO NGC后，神经纤维排列更有序，髓鞘再生增强，炎症反应减轻，运动功能恢复（通过步态分析及SFI指数评估）显著优于对照组。

图1. PVDF/LM-ZnO NGC制备流程示意图：（a）PVDF/LM电纺溶液制备；（b）PVDF/LM纳米纤维电纺及ZnO表面自生长沉积。

图2. NGCs的表征。（a）经LM改性的PVDF压电纳米纤维的扫描电子显微镜（SEM）图像和能谱分析（EDS）光谱。（b）负载ZnO的经LM改性的PVDF压电纳米纤维的SEM图像和EDS光谱。（c）经LM改性的PVDF压电纳米纤维的透射电子显微镜（TEM）图像和EDS光谱。（d）不同PVDF基NGCs的X射线衍射（XRD）图谱。（e）不同PVDF基NGC的FTIR。

图3. （a）压电效应示意图；（b）pvdf基NGCs的不同压电系数（d33）；不同pvdf基NGCs的力学性能曲线。

图4. （a）PVDF基NGCs上培养 7 天的人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的光密度（OD）值；（b） PVDF基 NGCs 上培养的 HUVECs 的荧光图像；（c）PVDF基 NGCs 上培养 5 天后 HUVECs 的玫瑰图；（d）PVDF基 NGCs  上培养 7 天的 RSC96 细胞的 OD 值；（e）在PVDF基 NGCs 上培养的 RSC96 细胞的荧光图像；（f）PVDF基 NGCs 上培养 5 天后 RSC96 细胞的玫瑰图；（g）PVDF基 NGCs 培养 7 天的 PC12 细胞的 OD 值；（h）PVDF基 NGCs 上培养的 PC12 细胞的荧光图像；（i）PVDF基 NGCs 上培养 5 天后 PC12 细胞的玫瑰图。

图5.（a）对照组和 PVDF/LM-ZnO 神经导管植入组的手术图像；（b）术后 1、4 和 8 周对照组和神经导管组腓肠肌的宏观观察（右侧：手术侧）；（c）术后 1、4 和 8 周 SD 大鼠的热痛印图像；（d）热痛印强度；（e）平均站立时间；（f）最大接触面积。