如同計算機中成千上萬相互作用的微小電子元器件，人體數以億計的神經元，通過體內電學微環境的作用，相互連通成為神經網絡，產生并傳導生物電信號，來控制人體的各種生理功能。

近年來，神經組織工程領域一直致力開發基于導電材料的三維仿生支架，模擬體內復雜的微環境，構建并引導神經干細胞和原代神經元的層次性生長。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元，引導神經突的定向生長和分化，從而促進神經再生。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良導電性。因此，構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。其對于神經細胞的增殖、分化，神經組織的再生，以及神經網絡的形成，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網絡形成。

【多項技術，合而為一】

鑒于各種現有生物加工技術（如相分離、自組裝、化學蝕刻、膠體光刻和靜電紡絲等技術）在制造復雜3D微/納米支架材料方面的局限性，3D打印技術近來得到了廣泛的關注。然而，常規的3D打印技術，纖維直徑的精確度只能控制在100 μm以上，遠遠超出了神經細胞的尺寸(~10 μm)，無疑會降低其用于引導神經網絡形成的適用性。鑒于此，斯蒂文斯理工學院王紅軍教授課題組運用一種基于溶液的近場靜電打印（NFEP）技術，能同時實現快速高效生產復雜的三維結構支架，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異的力學與電學性能，已被開發利用于生物醫學領域，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）、原位還原等技術結合起來，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，從而實現了三維幾何拓撲特征和物理電學性能的互聯互通。 該研究以題為“ReducedGraphene Oxide-encapsulated Microfiber Patterns Enable Controllable Formationof Neuronal-like Networks”的論文發表在《Advanced Materials》上。東華大學公派聯合培養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，軸向管狀結構）的三維支架材料，并分別將原代小鼠海馬神經元和大鼠嗜鉻細胞瘤細胞系(PC-12細胞)在支架上進行培養，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。

研究發現在最佳ES(100-150 mV cm-1)條件下，神經元細胞能夠沿著三維導電支架形成類神經網絡。并且，纖維直徑大小對神經細胞的神經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組織適用性，該團隊創新性地開發了蜘蛛網狀以及三維軸向管狀支架。結果表明，在電刺激作用下，神經突可以沿著軸向取向性生長，為新型神經導管的構建提供了新的思路。

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，被證明是實現結構復雜性和高導電性的有效策略。與NFEP技術相結合，可以定制纖維的大小及其三維空間分布，對引導三維類神經網絡的形成具有廣泛的適用性。這種創新的嘗試，為神經組織工程與神經再生相關的研究拓展了更多的可能性。

https://www.nanofiberlabs.com/
http://www.qingzitech.com/