三維碳材料神經(jīng)支架研究取得進(jìn)展

微環(huán)境中支架維度、剛度、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等物理因素，表面功能團(tuán)修飾等化學(xué)因素，以及胞外因子緩控釋等生物因素，決定了干細(xì)胞增殖狀態(tài)與分化方向的命運(yùn)。

基于石墨烯和碳納米管的生物材料具有優(yōu)異的生物相容性、突出的導(dǎo)電性以及良好的可操作性和機(jī)械穩(wěn)定性，在神經(jīng)電極、組織工程和再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域獲得較廣泛的應(yīng)用。碳納米管的一維獨(dú)特結(jié)構(gòu)使其能夠與細(xì)胞形成緊密聯(lián)系從而促進(jìn)神經(jīng)電信號傳導(dǎo)；三維石墨烯具有優(yōu)異的三維可操作性，可為細(xì)胞的生命活動(dòng)提供良好的三維微環(huán)境。

中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所納米-生物界面重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室程國勝團(tuán)隊(duì)一直以來致力于開發(fā)基于碳材料的三維生物支架，模擬體內(nèi)微環(huán)境的復(fù)雜性，構(gòu)建神經(jīng)干細(xì)胞和原代神經(jīng)元的生長微環(huán)境。該團(tuán)隊(duì)率先提出了三維石墨烯泡沫神經(jīng)支架，經(jīng)過多年努力，對三維石墨烯如何調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞增殖、分化、遷移、粘附，進(jìn)行了深入研究，取得了系統(tǒng)性的研究成果。

三維石墨烯生物學(xué)特性與其結(jié)構(gòu)和尺寸緊密聯(lián)系，通過控制三維石墨烯的結(jié)構(gòu)和尺寸，能夠有效調(diào)控其性質(zhì)，以滿足不同的應(yīng)用需求。該團(tuán)隊(duì)利用微納加工技術(shù)的可控性，采用光刻、電鍍、退火、化學(xué)氣相沉積等方法獲得形狀和尺寸均一的“量身定制”三維石墨烯支架。在此工作基礎(chǔ)上，在三維石墨烯的底部設(shè)計(jì)了二維石墨烯薄膜，利用化學(xué)氣相沉積法構(gòu)建了三維-二維石墨烯復(fù)合支架，將其作為神經(jīng)支架，底部二維石墨烯薄膜能夠?yàn)樯窠?jīng)細(xì)胞在孔隙間的有效跨越提供支撐，更好地模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。此外，該復(fù)合支架的形狀和尺寸精確可控，通過改變支架寬度可調(diào)控神經(jīng)祖細(xì)胞的定向分化行為，該研究結(jié)果于近期發(fā)表。

最近，程國勝團(tuán)隊(duì)通過與意大利國際高等研究院（SISSA）合作，成功構(gòu)建了“互聯(lián)互通”三維石墨烯-碳納米管復(fù)合網(wǎng)絡(luò)支架。這種三維碳復(fù)合材料成功克服了傳統(tǒng)三維石墨烯泡沫空隙過大的缺點(diǎn)，同時(shí)真正意義上實(shí)現(xiàn)了碳納米管三維空間網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。碳納米管在石墨烯表面的原位生長，使得復(fù)合支架具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和機(jī)械穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了碳納米管和石墨烯的三維幾何、機(jī)械和電學(xué)互聯(lián)互通。利用這種復(fù)合支架培養(yǎng)原代大腦皮層神經(jīng)元，其能更好地模擬大腦皮層的復(fù)雜性。將腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞種植在構(gòu)建的大腦皮層模型中，利用先進(jìn)的成像和分析技術(shù)，系統(tǒng)研究了單膠質(zhì)瘤細(xì)胞在三維空間上的速度分步，成功構(gòu)建了腦膠質(zhì)瘤的運(yùn)動(dòng)模型。對于新型藥物的篩選以及進(jìn)一步的精準(zhǔn)醫(yī)療具有重要意義。目前該工作以內(nèi)封面發(fā)表在《先進(jìn)材料》上。Wiley旗下Advanced Science News對該工作進(jìn)行了重點(diǎn)視頻報(bào)道。

這些研究得到“干細(xì)胞研究”國家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委國際合作重點(diǎn)專項(xiàng)、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的資助，并得到蘇州納米所分析測試與加工平臺(tái)的大力支持。