如同計(jì)算機(jī)中成千上萬相互作用的微小電子元器件,人體數(shù)以億計(jì)的神經(jīng)元,通過體內(nèi)電學(xué)微環(huán)境的作用,相互連通成為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),產(chǎn)生并傳導(dǎo)生物電信號(hào),來控制人體的各種生理功能。

近年來,神經(jīng)組織工程領(lǐng)域一直致力開發(fā)基于導(dǎo)電材料的三維仿生支架,模擬體內(nèi)復(fù)雜的微環(huán)境,構(gòu)建并引導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞和原代神經(jīng)元的層次性生長(zhǎng)。相關(guān)研究已表明,適宜的電刺激(ES)能夠有效地激活受損神經(jīng)元,引導(dǎo)神經(jīng)突的定向生長(zhǎng)和分化,從而促進(jìn)神經(jīng)再生。但是,在組織工程應(yīng)用中,電刺激的施加,必須依托于導(dǎo)電材料的優(yōu)良導(dǎo)電性。因此,構(gòu)建仿生三維支架的同時(shí),賦予其一定的拓?fù)鋵W(xué)特征和高導(dǎo)電性就變得尤為重要。其對(duì)于神經(jīng)細(xì)胞的增殖、分化,神經(jīng)組織的再生,以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形成,都具有重要的意義。

斯蒂文斯理工學(xué)院王紅軍團(tuán)隊(duì)《AM》:以電之名,連導(dǎo)再生!三維導(dǎo)電仿生支架引導(dǎo)類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形成

圖1. 在電刺激下,導(dǎo)電支架材料可引導(dǎo)類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成。

【多項(xiàng)技術(shù),合而為一】

鑒于各種現(xiàn)有生物加工技術(shù)(如相分離、自組裝、化學(xué)蝕刻、膠體光刻和靜電紡絲等技術(shù))在制造復(fù)雜3D微/納米支架材料方面的局限性,3D打印技術(shù)近來得到了廣泛的關(guān)注。然而,常規(guī)的3D打印技術(shù),纖維直徑的精確度只能控制在100 μm以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了神經(jīng)細(xì)胞的尺寸(~10 μm),無疑會(huì)降低其用于引導(dǎo)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成的適用性。鑒于此,斯蒂文斯理工學(xué)院王紅軍教授課題組自主研發(fā)了一種基于溶液的近場(chǎng)靜電打?。∟FEP)技術(shù),能同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速高效生產(chǎn)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)支架,并對(duì)其纖維直徑進(jìn)行有效的控制(15-148 μm)。

另一方面,石墨烯類材料由于其優(yōu)異的力學(xué)與電學(xué)性能,已被開發(fā)利用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,很多研究都證明了石墨烯類材料對(duì)細(xì)胞行為有促進(jìn)作用(包括粘附、遷移、增殖和分化),特別是對(duì)電敏感組織,如心臟、神經(jīng)和肌肉等。然而,石墨烯較差的分散性與加工性,很大程度上限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。面對(duì)這樣的限制,王紅軍教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)將層層組裝(L-B-L)、原位還原等技術(shù)結(jié)合起來,利用氧化石墨烯(GO)的易加工性和還原后(rGO)的高導(dǎo)電性,對(duì)三維支架材料進(jìn)行涂層,從而實(shí)現(xiàn)了三維幾何拓?fù)涮卣骱臀锢黼妼W(xué)性能的互聯(lián)互通。

該研究以題為“ReducedGraphene Oxide-encapsulated Microfiber Patterns Enable Controllable Formationof Neuronal-like Networks”的論文發(fā)表在《Advanced Materials》上。東華大學(xué)公派聯(lián)合培養(yǎng)王娟博士與斯蒂文斯理工學(xué)院博士生王皓宇為該論文共同第一作者,東華大學(xué)化工與生物工程學(xué)院莫秀梅教授為參與者,斯蒂文斯理工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系王紅軍教授為該論文的通訊作者。

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【不同條件,分而論之】

該團(tuán)隊(duì)依次構(gòu)建了不同纖維直徑 (15-150 μm), 不同纖維疊加角度(45-90度),和復(fù)雜圖形(蜘蛛網(wǎng),軸向管狀結(jié)構(gòu))的三維支架材料,并分別將原代小鼠海馬神經(jīng)元和大鼠嗜鉻細(xì)胞瘤細(xì)胞系(PC-12細(xì)胞)在支架上進(jìn)行培養(yǎng),同時(shí)施以不同強(qiáng)度的電刺激。

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圖2. (A) 在不同電場(chǎng)強(qiáng)度作用下,導(dǎo)電支架材料對(duì)大鼠嗜鉻細(xì)胞瘤細(xì)胞系(PC-12細(xì)胞)引導(dǎo)的免疫熒光染色照片。(B) PC-12細(xì)胞分化程度不同造成的熒光強(qiáng)度分析。

研究發(fā)現(xiàn)在最佳ES(100-150 mV cm-1)條件下,神經(jīng)元細(xì)胞能夠沿著三維導(dǎo)電支架形成類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。并且,纖維直徑大小對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的神經(jīng)突取向性生長(zhǎng)起了關(guān)鍵作用。

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圖3. (A)在電場(chǎng)作用下,不同纖維直徑的導(dǎo)電支架材料對(duì)大鼠嗜鉻細(xì)胞瘤細(xì)胞系(PC-12細(xì)胞)引導(dǎo)的免疫熒光染色照片。(B) PC-12細(xì)胞分化神經(jīng)突取向性分析。

研究同時(shí)指出,在電刺激作用下不同角度對(duì)神經(jīng)元的分化影響差異不顯著。

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圖4. (A)不同疊加角度的支架材料,在涂層前后的顯微鏡照片。(B)、(C)在電場(chǎng)作用下,不同疊加角度的導(dǎo)電支架材料對(duì)PC-12細(xì)胞引導(dǎo)的免疫熒光染色照片。

為進(jìn)一步使該支架具有體內(nèi)組織適用性,該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地開發(fā)了蜘蛛網(wǎng)狀以及三維軸向管狀支架。結(jié)果表明,在電刺激作用下,神經(jīng)突可以沿著軸向取向性生長(zhǎng),為新型神經(jīng)導(dǎo)管的構(gòu)建提供了新的思路。

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圖5. (A)氧化石墨烯/還原氧化石墨烯在支架涂層后的表征。(B) 在電刺激下,PC-12細(xì)胞在蜘蛛網(wǎng)狀支架上生長(zhǎng)的免疫熒光照片。(C)氧化石墨烯/還原氧化石墨烯在三維軸向管狀支架涂層后的表征。(D) 在電刺激下,PC-12細(xì)胞在三維軸向管狀支架上生長(zhǎng)的免疫熒光照片。

綜上所述,將氧化石墨烯/還原氧化石墨烯涂層于三維纖維表面制備導(dǎo)電支架材料,被證明是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和高導(dǎo)電性的有效策略。與NFEP技術(shù)相結(jié)合,可以定制纖維的大小及其三維空間分布,對(duì)引導(dǎo)三維類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形成具有廣泛的適用性。這種創(chuàng)新的嘗試,為神經(jīng)組織工程與神經(jīng)再生相關(guān)的研究拓展了更多的可能性。

 

論文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202004555

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