摘要体外培养鼠胚脊髓细胞时神经纤维的生长行为受到基质高分子材料的形貌学影响。蚯蚓的匍匐运动也同样受到地面形貌的作用。种属和结构层次不同的两类生物体在其运动行为的地貌学依赖规律却非常相似。依据仿生学原理提出了神经再生导管系统设计的新设想。

Biomimetic ldeas on Growth Behavior of Nerve

CeII——Topographic Effects of Materials

1引言

周围神经再生的组织工程学研究中阐明再生导管材料对于神经轴突生长的影响规律是至关重要的。至今这方面的研究大部分集中在材料的化学及生物学因素(如化学组成结构、可降解性、生理活性赋与性、生长因子控释性等)，对形态学因素的研究甚少。近年来，一些研究者指出［1］［4］，在某些情况下，材料的表面形貌特性(Topographic Feature)决定着生物相容性或者细胞亲和性(Cell Affinity)。人们早已注意到，神经细胞的体外培养中轴突及其纤维的生长行为受到基板材料形貌的制约。最有代表性的是Weiss的机械导向理论［2］。著者等的动物胚胎神经细胞在合成高分子水凝胶上培养的实验证明了Weiss理论，而且进一步阐明了神经轴突生长的Topography依存规律［3，4］。最近我们还发现，环节动物匍匐行为的地面形貌依赖性与哺 乳动物神经细胞的生长行为极为相似，由此可以获得有益的仿生学启示［5，6］，本文报告仿生学思考依据并提出了设计神经再生导管(NGC)系统的新构思。

2神经细胞生长行为的材料形貌依存性

将20天鼠胚脊髓细胞在高分子水凝胶膜上进行常规培养［3］。所用膜材料是脱乙酰化度为78mol%的壳聚糖，它可以制成各种形貌特性的水凝胶膜。实验观察到，神经细胞及其纤维的生长行业强烈地受到膜材料形貌特性的支配和制约，其主要表现如下：

(1)神经纤维在平坦的膜面上通常直线伸长，当遇到“沟槽”(槽宽为神经纤维直径的1～3倍)时沿着沟底向前伸长如图1所示。

图1神经纤维在壳聚糖膜上沿“沟槽”生长

(2)生长中的神经纤维从正面碰到较大障壁时，做180°大转弯，折回原路；

(3)生长中的神经纤维遇见“孔穴”时钻进去从膜背面穿出来(穿膜现象)如图2所示。必要的条件可能是“孔穴”的直径要大于神经纤维的直径。我们用热脱水交联法制备的明胶膜进行了相同的实验［4］，获得与壳聚糖膜基本相同的结果。在涂有鼠尾胶原的盖玻片(对照用支持物)上相同方法培养神经细胞时从末观察到上述现象。可见，支持物的形貌特性对于神经细胞生长行为有着非常大的影响。

图2神经纤维钻入膜的“孔穴”并穿出背面

3蚯蚓匍匐运动的材料形貌依存性

为仿生学研究提供数据，我们考察了蚯蚓的匍匐的行为。在固定的外界条件(气温，温度、光线、声音、风力)下，考察了改变地面材料的形貌特性对蚯蚓匍匐运动的影响规律。为定量考察，引入了一个表征形貌的参数：相对粗糙度RR［6］。观察结果如下。(1)蚯蚓在平坦地面(RR=0.01～0.07)上总是直线匍匐前进。(2)匍匐前进中遇到沟槽(RR=0.7～3.0)时，进入沟中并沿着沟槽向前移行。沟槽线的曲率越少，匍匐速度越大，呈直线时最块。蚯蚓前进的方向与沟槽线形成的锐角(入槽角)越大，越难进槽，当相互垂直时几乎不能进槽。(3)在平坦材料上匍匐时，其表面粗糙度强烈影响蚯蚓前进的速度，非常光滑(RR＜0.01)或过分粗糙(RR＞0.2)时匍匐较慢，适度粗糙(RR=0.03～0.05)时匍匐最快，如图3所示，结果证明，蚯蚓的匍匐行为在接触物形貌依存性方面与如上所述的哺 乳动物神经细胞生长行为非常相似。

图3接触物平面形貌对蚯蚓匍匐运动的影响

4仿生学思考

研究表明，蚯蚓和哺乳动物的神经细胞虽然是种属和结构层次截然不同的两类生物体单元，即一类个体与另一种属个体的细胞，但在其运动行为的形貌学依存性却非常相似。我们可以从中获得一些有益的启示。人们在神经再生导管(NGC)中放入一些人工ECM时只考虑其细胞亲合性、粘接性、生理活性赋与性、生长因子控释性等因素而忽略了形貌学因素，例如所采用的基质体形态是粘流体［7］、无规多孔体［用］等。我们认为，即使是相同材料的基质体，若制成足够细(直径10～30μm)的长纤维以适当的密集度与导管平行排列的方式设置管内，如图4所示，将会有利于神经轴突的生长，还应当考究长纤维表面的形貌特性(RR=0.01～0.05)的设计。

图4人工ECM在神经再生导管内以长纤维形态平行排列

参考文献

1Andreas F R.Surface Topography and Biocomatibility.In:Biomedical Materials Research in the Far East(I11).Japan kobunshi Kankokai^*Kyoto:3～5

2Weiss P.Experiments on cell and axon orientation in ivtro:The role of clloidal excudates in tissue organ i zation.J EXPZ001,194 5;100∶353

3Xie D H.Piao D X et al.SEM study on growth morphology of rat spinal emmbryonic cell cultured by use of chitosan membrane.Acad emical Journal of Xiangtan University on Nature Science,1991∶106～112

4Piao Dongxu,Chen Xiaodong,Mao Lijing,et al.Study on nerve cell affinity of polymer hydrogel films.in Biomedical Materials Research in the Far East(1 I I).Japan Kobunsbi Kankokai,Kyoto∶236～237

5朴东旭，陈晓东，毛立江等，蚯蚓匍匐运动的启示.98中国材料研讨会论文集，印刷中。

6Piao D，Chcn X，Mao L et al.An inspiration Crawl Behavior of Earthworm.Materials Science and Englineering,will be published.

7Tiyotani et al,Nerve regeneration across a 25mm gap bridged by a PGA-collagen tube.Brain Research,1996;740∶66

8Spilker M H et al.The effccts of Collagen-Based lmplants on EarlyHealing of Adult Rat Spinal Cord.Tissue Engineering,1997;3(3)∶309