如同計算機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)電學微環(huán)境的作用，相互連通成為神經(jīng)網(wǎng)絡，產(chǎn)生并傳導生物電信號，來控制人體的各種生理功能。
近年來，神經(jīng)組織工程領域一直致力開發(fā)基于導電材料的三維仿生支架，模擬體內(nèi)復雜的微環(huán)境，構(gòu)建并引導神經(jīng)干細胞和原代神經(jīng)元的層次性生長。相關研究已表明，適宜的電刺激（ES）能夠有效地激活受損神經(jīng)元，引導神經(jīng)突的定向生長和分化，從而促進神經(jīng)再生。但是，在組織工程應用中，電刺激的施加，必須依托于導電材料的優(yōu)良導電性。因此，構(gòu)建仿生三維支架的同時，賦予其一定的拓撲學特征和高導電性就變得尤為重要。其對于神經(jīng)細胞的增殖、分化，神經(jīng)組織的再生，以及神經(jīng)網(wǎng)絡的形成，都具有重要的意義。
圖1. 在電刺激下，導電支架材料可引導類神經(jīng)網(wǎng)絡形成。
【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、化學蝕刻、膠體光刻和靜電紡絲等技術(shù)）在制造復雜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，遠遠超出了神經(jīng)細胞的尺寸(~10 μm)，無疑會降低其用于引導神經(jīng)網(wǎng)絡形成的適用性。鑒于此，斯蒂文斯理工學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?。∟FEP）技術(shù)，能同時實現(xiàn)快速高效生產(chǎn)復雜的三維結(jié)構(gòu)支架，并對其纖維直徑進行有效的控制(15-148 μm)。
另一方面，石墨烯類材料由于其優(yōu)異的力學與電學性能，已被開發(fā)利用于生物醫(yī)學領域，很多研究都證明了石墨烯類材料對細胞行為有促進作用(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一步應用。面對這樣的限制，王紅軍教授領導的團隊將層層組裝（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）的高導電性，對三維支架材料進行涂層，從而實現(xiàn)了三維幾何拓撲特征和物理電學性能的互聯(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。東華大學公派聯(lián)合培養(yǎng)王娟博士與斯蒂文斯理工學院博士生王皓宇為該論文共同第一作者，東華大學化工與生物工程學院莫秀梅教授為參與者，斯蒂文斯理工學院生物醫(yī)學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)元和大鼠嗜鉻細胞瘤細胞系(PC-12細胞)在支架上進行培養(yǎng)，同時施以不同強度的電刺激。
圖2. (A) 在不同電場強度作用下，導電支架材料對大鼠嗜鉻細胞瘤細胞系(PC-12細胞)引導的免疫熒光染色照片。(B) PC-12細胞分化程度不同造成的熒光強度分析。
研究發(fā)現(xiàn)在最佳ES(100-150 mV cm-1)條件下，神經(jīng)元細胞能夠沿著三維導電支架形成類神經(jīng)網(wǎng)絡。并且，纖維直徑大小對神經(jīng)細胞的神經(jīng)突取向性生長起了關鍵作用。
圖3. (A)在電場作用下，不同纖維直徑的導電支架材料對大鼠嗜鉻細胞瘤細胞系(PC-12細胞)引導的免疫熒光染色照片。(B) PC-12細胞分化神經(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，不同疊加角度的導電支架材料對PC-12細胞引導的免疫熒光染色照片。
為進一步使該支架具有體內(nèi)組織適用性，該團隊創(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電支架材料，被證明是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復雜性和高導電性的有效策略。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，對引導三維類神經(jīng)網(wǎng)絡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
