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背景介绍

脊髓损伤是最 devastating 的神经系统疾病之一，常导致严重的运动、感觉和自主神经功能障碍，甚至永久性瘫痪。全球每年新增超过70万例脊髓损伤患者，给家庭和社会医疗系统带来沉重负担。然而，临床上仍缺乏能够实现有意义功能恢复的有效疗法。传统治疗主要依赖急性期手术减压和大剂量甲泼尼龙等药物干预，以及慢性期康复训练（如物理治疗和电刺激），但这些方法仅能部分减轻继发性损伤，极少能实现实质性的神经功能恢复。根本障碍在于：成年中枢神经系统固有的再生能力极为有限，而脊髓损伤后复杂的继发性病理级联反应——包括兴奋性毒性、氧化应激、神经炎症、神经营养因子缺乏、胶质瘢痕和纤维化瘢痕形成以及囊性空腔化——共同营造了一个高度抑制性的再生微环境。因此，亟需发展能够同时靶向多病理环节的创新干预策略。

研究思路

针对上述挑战，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所戴建武研究员团队系统综述了近年来纳米材料与微结构生物支架在脊髓损伤修复中的研究进展，重点阐述了从材料设计到神经再生的转化路径。团队首先剖析了脊髓损伤后继发性病理事件在不同阶段对神经再生的阻碍机制（急性/亚急性期的兴奋性毒性、神经炎症、氧化应激和神经营养因子缺乏；慢性期的囊性空腔、胶质/纤维化瘢痕和轴突回缩），为生物材料设计奠定生物学基础。在此基础上，从纳米尺度到微/介观尺度系统梳理了功能性生物材料的设计原则：纳米材料通过主动靶向特定细胞群体、中和抑制因子（如抗炎、抗氧化、抗兴奋毒性）、递送神经营养信号和调控神经干细胞行为，实现细胞与分子水平的精准调控；微结构生物支架则通过提供物理支撑、拓扑学引导和细胞移植支持，桥接损伤空洞并引导长距离轴突再生。最后，文章总结了已进入临床试验的代表性生物材料平台（NeuroRegen支架和Neuro-Spinal Scaffold）的转化路径，并探讨了当前局限性、跨物种差异、个体异质性及未来发展方向。相关内容以 Nano- and Microstructured Biomaterials for Spinal Cord Injury Repair: From Material Design to Neural Regeneration 发表在 ACS Nano！

图片解析

图1. 脊髓损伤后继发性病理事件示意图：从急性期（0-48 h，兴奋性毒性、神经炎症、氧化应激、神经营养因子缺乏）、亚急性期（2-14天，持续炎症和细胞死亡）到慢性期（>2周，囊性空腔、胶质/纤维化瘢痕和轴突回缩），展示了阻碍神经再生的多因素抑制性微环境。

图2. 纳米材料在脊髓损伤修复中的优势与代表性类型：(A) 纳米材料应对脊髓损伤复杂病理障碍的通用优势（纳米尺度被动靶向、高比表面积实现主动靶向、多功能集成实现刺激响应释放和实时监测）；(B) 应用于脊髓损伤修复的代表性纳米颗粒，包括有机纳米材料（脂质体、脂质纳米颗粒、胶束、树状大分子、纳米纤维）、生物衍生纳米材料（外泌体、细胞源性纳米囊泡、细胞膜包被纳米颗粒）和无机纳米材料（氧化铈纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒、碳纳米管）。

图3. 代表性纳米颗粒中和抑制因子的策略：(A) 金纳米颗粒功能化芋螺肽衍生物选择性拮抗突触外NMDAR以缓解兴奋性毒性，同时保护突触NMDAR维持正常神经传递（转载自参考文献97，版权2020 American Chemical Society）；(B) PEI修饰的Mn₃O₄纳米颗粒装载炎症调控siRNA，经中性粒细胞膜包被实现炎症细胞靶向递送（转载自参考文献110，版权2023 John Wiley & Sons）；(C) ROS响应两亲性共聚物胶束系统，在损伤微环境中触发释放神经递质偶联的KCC2激动剂（转载自参考文献119，版权2023 Springer Nature）；(D) 装载抗炎药物罗利普兰的纳米凝胶，被活化星形胶质细胞选择性内吞以减轻星形胶质细胞增生（转载自参考文献127，版权2020 American Chemical Society）。

图4. 纳米纤维基策略用于脊髓损伤修复：(A-E) 对齐脱细胞脊髓纤维的制备、形貌表征及与神经祖细胞共移植10周后的神经再生效果，相比于对齐胶原纳米纤维（转载自参考文献143，版权2023 American Chemical Society）；(F-J) 优化的多肽两亲分子设计（F）自组装形成具有可调运动性的超分子纳米纤维（G）及其对脊髓损伤修复的促进作用——横截面概览（H）、腹角高倍图像（I）及定量分析（J）（转载自参考文献147，版权2021 American Association for the Advancement of Science）。

图5. 代表性生物支架类型与常用材料组成：上图为应用于脊髓损伤修复的代表性生物支架格式（水凝胶、海绵、3D生物打印支架、线性或多通道支架）；下图为常用材料组成汇总（天然聚合物如胶原蛋白、明胶、透明质酸、壳聚糖、丝素蛋白、海藻酸盐；合成聚合物如PEG、PLGA、PCL、PPF；以及杂化体系）。

结论

该综述系统梳理了纳米与微结构生物材料在脊髓损伤修复中的研究进展，提出了从“单一功能材料”向“多尺度、多靶点、精准调控”的生物材料设计理念的演进。文章强调，成功的脊髓损伤修复需要生物材料能够在不同时空阶段协同发挥多重功能：纳米材料通过靶向特定细胞亚群（如神经元、小胶质细胞、星形胶质细胞）精准调控分子通路——递送神经营养因子、中和兴奋性毒性、清除ROS、重编程炎症表型、降解CSPGs；微结构生物支架则提供物理桥接、拓扑学引导和细胞移植支持。在临床转化层面，戴建武团队开发的NeuroRegen支架已在急性期和慢性期完全性脊髓损伤患者中完成系列临床试验（涉及百余例患者），部分患者实现感觉平面扩展、自主神经功能恢复甚至行走能力重建；而Neuro-Spinal Scaffold虽安全性良好，但在随机对照试验中未达到主要疗效终点。文章最后指出，未来方向应聚焦于：单细胞多组学解析细胞亚群异质性以指导亚型特异性靶向、人源脊髓类器官作为人类特异性病理模型、以及人工智能驱动的个性化生物材料设计，从而跨越物种差异和个体异质性带来的转化鸿沟。

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