从损伤到康复，了解生物材料在脊髓损伤中的作用

脊髓损伤（SCI）一种神经系统创伤性疾病，其发病率呈逐年上升趋势，据《柳叶刀神经病学杂志》报道，我国当时有脊髓损伤患者374万，新发脊髓损伤患者以9.3%、总脊髓损伤患者以30.6%的增长率逐年增长。脊髓损伤可导致运动和感觉功能的永久性丧失，严重影响患者的生活质量。目前，还没有有效的治疗方法可以完全恢复SCI后的功能。然而，生物材料领域的进步为那些受这种情况影响的人提供了新的希望，与 手术等传统的脊髓损伤治疗方法相比，通过组织工程技术结合细胞移植治疗脊髓损伤已引起越来越多的关注。

一、什么是生物材料？

生物材料是设计用于与生物系统相互作用的材料，用于取代或增强组织功能，或提供用于递送治疗剂的平台。它们可以是合成的或天然衍生的，并且可以定制为具有特定的特性，如生物相容性、生物降解性和机械强度。生物材料在医疗应用中有着悠久的使用历史，例如在人工关节、牙科植入物和心脏瓣膜的生产中。

表 1 生物医用材料的分类及适用范围《生物医用高分子材料》

图1 主要生物医用材料类型

二、生物材料在脊髓损伤中的作用

对于创伤后的脊髓损伤，外部损伤反映在急性期的原发性脊柱组织损伤和神经细胞死亡，而随后发生继发性退行性改变。

图2 脊髓损伤后病理生理变化示意图

上图展示的为创伤脊髓损伤后的病理生理变化，脊髓的保护髓鞘逐渐消失，导致神经纤维受损。损伤中心区域会形成一个空洞。在这个区域周围，胶质细胞会长出长长的突起，形成一个被称为胶质障壁的屏障，防止空洞继续扩散。损伤会刺激微胶质细胞转化成为活跃的吞噬型细胞，并向受损区域移动。在这种环境中，存在一种名为硫酸软骨蛋白多糖（chondroitin sulfate proteoglycan；CSPG）的分子，它在胶质细胞和炎症细胞中产生，并且会抑制神经纤维的再生和修复。被激活的小胶质细胞、星形胶质细 胞和浸润在损伤周围的白细胞共同作用，释放细胞因子和化学因子，形成炎性微环境，阻碍神经修复和再生。

因此，如何改善脊髓损伤后的神经轴突生长的微环境，是治疗脊髓损伤的重点。

生物材料在脊髓损伤中的应用主要是通过将生物材料植入损伤部位，可以为受伤组织提供机械支持和促进受损神经纤维的再生。这些生物材料具有不同的特性和用途，包括生物相容性、生物可降解性、机械强度和生长因子释放能力等。例如，生物材料可以被工程化以释放生长因子，如神经营养因子和神经生长因子，以促进组织再生和功能恢复。此外，生物材料还可以被用作细胞载体，通过将干细胞或神经前体细胞种植在材料表面来促进神经再生。总之，生物材料在脊髓损伤的治疗中

具有广泛的应用前景，并将成为促进组织再生和功能恢复的重要工具

图3  生物材料支架移植后生理病理变化示意图

上图为生物材料支架移植后生理病理的变化，有些生物材料中含有干细胞、药物、神经营养因子或生长因子等。移植的生物材料可以作为支架，支持神经细胞在伤口处重新生长。移植的生物材料支架会释放移植的细胞或分泌的神经营养因子，也会释放包裹的药物或生长因子等。它们有助于形成新的神经元连接和突触，连接受伤的神经细胞和周围神经元。此外，移植的干细胞能产生少突胶质细胞，使受损的神经细胞重新长出髓鞘。这些再生和重新髓鞘化的神经细胞穿过伤口，并与其他宿主神经细胞连接，以改善脊髓损伤后的形态学和行为结果从而改善神经生长的微环境，为后续脊髓损伤恢复建立基础。

三、用于脊髓损伤的生物材料类型

目前，有几种类型的生物材料已被用于脊髓损伤的治疗，每种生物材料都有其自身的优势和局限性。其中包括：

01、水凝胶

图表 5 水凝胶

水凝胶材料具有高含水量和类似胶原蛋白的力学性能，可用作细胞和药物的载体、细胞支架植入脊髓中。其优点包括良好生物相容性、稳定性、孔隙度和渗透率等，可促进损伤修复和组织修复。碱性成纤维细胞生长因子与水凝胶结合植入SCI部位，可为再生组织提供支架，促进神经和功能的恢复。

图表 6 电镜下的水凝胶

02、壳聚糖

壳聚糖是一种天然多糖，具有生物相容性、无毒、抗菌和可生物降解，有粘性能促进细胞附着和生长，但高膨胀和快速降解，故通常与其他材料结合使用。已有研究者使用胶原蛋白和壳聚糖制备多孔可降解支架治疗SD大鼠SCI，促进中枢神经再生，恢复运动功能。

图表 7 壳聚糖

03、纳米纤维

纳米纤维是一种超分子生物材料，可以形成模仿天然组织结构的三维网络。它们已被用作细胞生长的支架和治疗剂的递送系统。

四、当前研究和未来方向

目前关于生物材料在脊髓损伤中的应用研究集中在提高现有材料的有效性和开发具有增强再生性能的新材料。目前研究的一个领域是利用生物材料将治疗药物(如生长因子和干细胞)输送到损伤部位。研究人员也在探索使用先进的成像技术来监测愈合过程，并评估基于生物材料的疗法的疗效。此外，人们对开发能够促进神经网络形成和功能恢复的生物材料越来越感兴趣。脊髓损伤生物材料领域未来的发展方向包括多种生物材料的整合、利用3D打印技术创建定制支架，以及开发既能提供机械支持又能提供生物信号以促进再生的材料。

值得一提的是在2015年4月22日，戴建武团队在武警后勤学院附属医院（天津）开展了首例神经再生胶原支架治疗急性完全性脊髓损伤临床研究。首例急性脊髓损伤受试者腰部以下失去感觉运动功能，经过一年的康复，运动功能方面得到显著改善，受试者下肢肌力明显增强，髋关节的活动功能大幅度改善，并可在支具辅助下通过髋关节的活动行走。电生理检查表明，受试者感觉诱发电位和运动诱发电位均可跨过损伤平面进行传导，表明损伤部位已有神经连接。同时，受试者能够准确感知到小便，生活自理能力显著提高。这表明生物材料移植可以作为脊髓损伤病人重建再生微环境的安全的临床方法，显示了良好的临床应用前景。

五、小结

总之，生物材料在治疗脊髓损伤方面显示出巨大的潜力。它们可以为受伤组织提供机械支持，促进受损神经纤维的再生，并将治疗剂输送到受伤部位。开发具有增强性能和功能的新型生物材料是一个活跃的研究领域，希望这些材料能在未来为SCI带来更有效的治疗。尽管对于脊髓损伤的恢复仍有许多难关要过，但用于脊髓损伤治疗的生物材料领域取得的进展是有希望的。相信随着研究的深入，这些问题最终会得到解决，脊髓损伤的患者最后也能重返社会和生活。

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