Biomaterials Combined With Physical Modulation Strategies for Spinal Cord Injury Repair: Material Design, Mechanism, and Challenges.

چکیده اصلی

Spinal cord injury (SCI) causes persistent neurological deficits because primary damage initiates dynamic secondary cascades that restrict endogenous repair. Functional biomaterials can bridge lesions, provide structural and biochemical support, guide axonal growth, and remodel the inhibitory microenvironment. However, their cues are generally static or slowly evolving and cannot match the changing pathological and electrophysiological states of injured tissue. Physical modulation complements these functions by delivering electrical, magnetic, ultrasonic, optical/photothermal, or mechanical cues that regulate neural excitability, inflammation, axonal growth, remyelination, and plasticity. Nevertheless, physical modulation alone may suffer from imprecise localization, variable tissue-level dosing, and insufficient structural support. This review examines integrated biomaterial-physical modulation strategies for SCI repair, focusing on material design, mechanisms, and translational challenges. Conductive hydrogels couple lesion support with localized electrical signaling, whereas compliant electrodes improve tissue conformity and charge delivery. Piezoelectric and magnetically responsive materials convert external inputs into localized electrical or mechanical cues. Optical/photothermal systems combine localized energy conversion with on-demand release, whereas engineered matrices link structural support to mechanotransduction. Across these strategies, biomaterials act as regenerative scaffolds and active interfaces that localize, transmit, convert, and sustain physical signals. Physical inputs dynamically regulate cellular and molecular responses within this material-supported environment. This integration couples structural reconstruction and microenvironmental regulation with spatiotemporally controlled biophysical signaling, constituting the central mechanistic basis of these integrated systems. Translation requires standardized tissue-level dosing, evaluation of degradation-dependent signal stability and biocompatibility, cross-species scaling, and validation in relevant large-animal models. Stimuli-responsive materials and closed-loop systems represent important future directions. Overall, benefit depends not on simply adding stimulation to a scaffold, but on engineering coordinated material-stimulus systems. In such systems, material design controls where, when, and how physical cues are delivered during spinal cord regeneration.

ترجمه فارسی چکیده

آسیب نخاع (SCI) باعث نقص‌های عصبی پایدار می‌شود زیرا آسیب اولیه سلسله‌مراتب ثانویه پویایی را آغاز می‌کند که ترمیم داخلی را محدود می‌کند. مواد زیستی عملکردی می‌توانند زخم‌ها را پر کنند، پشتیبانی ساختاری و بیوشیمیایی ارائه دهند، رشد آکسون را هدایت کنند و محیط میکروبی محدودکننده را بازسازی کنند. با این حال، سیگنال‌های آن‌ها به طور کلی ثابت یا به آرامی در حال تغییر هستند و نمی‌توانند با وضعیت‌های پاتولوژیک و الکتروفیزیولوژیک در حال تغییر بافت آسیب‌دیده هماهنگ شوند. تنظیم فیزیکی این توابع را با ارائه سیگنال‌های الکتریکی، مغناطیسی، فراصوتی، نوری/گرمایی یا مکانیکی که excitability عصبی، التهاب، رشد آکسون، بازسازی میلین و پلاستیسیته را تنظیم می‌کنند، تکمیل می‌کند. با این حال، تنظیم فیزیکی به تنهایی ممکن است دچار مکان‌یابی نامطمئن، دوز متغیر سطح بافت و پشتیبانی ساختاری ناکافی شود. این مرور به بررسی استراتژی‌های ترکیبی مواد زیستی-تنظیم فیزیکی برای ترمیم SCI می‌پردازد و بر طراحی ماده، مکانیسم‌ها و چالش‌های ترجمه‌ای تمرکز دارد. هیدروژل‌های هادی پشتیبانی زخم را با سیگنال‌دهی الکتریکی محلی ترکیب می‌کنند، در حالی که الکترودهای انعطاف‌پذیر همخوانی بافت و انتقال بار را بهبود می‌دهند. مواد پیزوالکتریک و واکنش‌گرای مغناطیسی ورودی‌های خارجی را به سیگنال‌های الکتریکی یا مکانیکی محلی تبدیل می‌کنند. سیستم‌های نوری/گرمایی-گرمایی تبدیل انرژی محلی را با آزادسازی درخواستی ترکیب می‌کنند، در حالی که ماتریس‌های مهندسی شده پشتیبانی ساختاری را با ترنسداکسیون مکانیکی پیوند می‌دهند. در میان این استراتژی‌ها، مواد زیستی به عنوان سکوهای بازسازی‌کننده و رابط‌های فعال عمل می‌کنند که سیگنال‌های فیزیکی را متمرکز، منتقل، تبدیل و پایدار می‌سازند. ورودی‌های فیزیکی به طور پویا پاسخ‌های سلولی و مولکولی را در این محیط پشتیبانی‌شده توسط ماده تنظیم می‌کنند. این ادغام همبستگی بازسازی ساختاری و تنظیم محیط میکروبی را با سیگنال‌دهی بیوفیزیکی کنترل شده در فضا و زمان پیوند می‌دهد و اساس مکانیسمی مرکزی این سیستم‌های ترکیبی را تشکیل می‌دهد. ترجمه نیاز به دوز استاندارد شده سطح بافت، ارزیابی پایداری سیگنال وابسته به تجزیه و سازگاری زیستی، مقیاس‌دهی بین گونه‌ها و تأیید در مدل‌های حیوانی بزرگ مرتبط دارد. مواد واکنش‌گرای محرک و سیستم‌های حلقه بسته جهت‌های مهم آینده را نشان می‌دهند. در مجموع، مزیت به معنای افزودن ساده تحریک به یک سکو نیست، بلکه به معنای مهندسی سیستم‌های هماهنگ ماده-تحریک است. در چنین سیستم‌هایی، طراحی ماده کنترل می‌کند که کجا، چه زمانی و چگونه سیگنال‌های فیزیکی در حین بازسازی نخاع تزریق می‌شوند.

متن کامل اصلی