如同計算機(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，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。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，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。
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靜電打印（NFEP）技術(shù)，能同時實現(xiàn)快速高效生產(chǎn)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)支架，并對其纖維直徑進(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。面對這樣的限制，王紅軍教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊將層層組裝（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，對三維支架材料進(jìn)行涂層，從而實現(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。
【不同條件，分而論之】
該團(tuán)隊依次構(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)，同時施以不同強(qiáng)度的電刺激。
圖2. (A) 在不同電場強(qiáng)度作用下，導(dǎo)電支架材料對大鼠嗜鉻細(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，纖維直徑大小對神經(jīng)細(xì)胞的神經(jīng)突取向性生長起了關(guān)鍵作用。
圖3. (A)在電場作用下，不同纖維直徑的導(dǎo)電支架材料對大鼠嗜鉻細(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。
研究同時指出，在電刺激作用下不同角度對神經(jīng)元的分化影響差異不顯著。
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)在電場作用下，不同疊加角度的導(dǎo)電支架材料對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，為新型神經(jīng)導(dǎo)管的構(gòu)建提供了新的思路。
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
