Advanced Materials:电导再生-三维导电仿生支架引导类神经网络的形成

当海底电缆将大洋彼岸相互连接,当信息互联使资讯传递变成可能,网络以其不可取代的作用,将我们与整个世界相连。诚如外部的物质环境,我们体内数以亿计的神经元也被那复杂而精密的神经网络控制和连通着。因此,引导并形成三维神经网络,对于修复受损的神经系统有着至关重要的作用。近年来,模拟体内复杂的电学微环境,构建并引导神经干细胞的层次性生长,成为了神经组织工程领域的热点。相关研究也已经表明,受损神经元能够被适宜的电刺激(ES)激活,并实现神经突的定向生长和分化,从而促进神经再生。所以构建出具有三维几何拓扑特征和电学性能的导电支架材料,对于神经细胞的增殖、分化,神经组织的再生,以及神经网络的形成,都意义非凡。

近年来,3D打印技术以其精准灵活的特点,在制造复杂3D支架材料方面,独占鳌头。然而,常规的3D打印技术,其大于100 μm的纤维直径,大大限制了其在引导神经网络形成方面的适用性。鉴于此,斯蒂文斯理工学院王红军教授课题组自主研发了一种基于溶液的近场静电打印技术(NFEP),并将其与层层自组装(L-B-L),原位还原等技术相结合,利用氧化石墨烯(GO)的易加工性和还原后(rGO)的高导电性,通过对三维支架材料进行涂层,从而实现了对具有多种复杂结构的三维导电支架的制备。

该团队依次构建了不同纤维直径(15-150 μm)、不同纤维叠加角度(45-90度)、和复杂图形(蜘蛛网,轴向管状结构)的三维支架材料,并探究了在不同电场强度作用下,原代小鼠海马神经元和大鼠嗜铬细胞瘤细胞系(PC-12细胞)在导电支架上的细胞反应和神经突生长情况。结果表明,在最佳电场强度条件下(100-150 mV cm-1),神经元细胞能够沿着三维导电支架形成类神经网络,而在不通电或过载情况下,神经突的生长会被限制。研究还发现,纤维直径大小对神经细胞的神经突取向性生长起了关键作用,较小直径的纤维可更有效地引导神经突的取向性生长。此外,在电刺激作用下,不同纤维的叠加角度对神经元的分化影响差异并不显著。为进一步证明该导电支架可被用于体内神经组织修复与再生,研究团队还创新性地开发了蜘蛛网状以及三维轴向管状支架。结果表明,在电刺激作用下,神经突可以沿着支架结构生长,这一发现为新型神经导管的设计与制备提供了新的思路。简而言之,将氧化石墨烯/还原氧化石墨烯涂层于三维支架表面制备导电支架材料,被证明是实现结构复杂性和高导电性的有效策略。电导再生,网络自成,也许这些三维导电支架材料,将为神经组织工程和神经再生研究,开启新的篇章,我们拭目以待。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202004555)上。