人体生理功能与生物电之间有紧密的关联，尤其神经系统就处在一个复杂的电学微环境之中。许多神经活动（如神经元之间的信号传递）都伴随着生物电信号的产生与传导。开发基于导电材料的三维生物支架，模拟体内复杂的微环境，构建并引导神经干细胞和原代神经元的层次性生长，一直都是神经组织工程领域的热点及难点。相关研究已表明，适宜的电刺激（ES）能够有效地激活受损神经元，引导神经突的定向生长和分化，从而促进神经再生。但是，在组织工程应用中，电刺激的施加，必须依托于导电材料的优良导电性。因此，构建仿生三维支架的同时，赋予其一定的拓扑学特征和高导电性就变得尤为重要。其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，都具有重要的意义。
图1. 在电刺激下，导电支架材料可引导类神经网络形成。
鉴于各种现有生物加工技术（如相分离、自组装、化学蚀刻、胶体光刻和静电纺丝等技术）在制造复杂3D微/纳米支架材料方面的局限性，3D打印技术近来得到了广泛的关注。然而，常规的3D打印技术，纤维直径的精确度只能控制在100 μm以上，远远超出了神经细胞的尺寸（~10 μm），无疑会降低其用于引导神经网络形成的适用性。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（NFEP）技术，能同时实现快速高效生产复杂的三维结构支架，并对其纤维直径进行有效的控制（15-148 μm）。
另一方面，石墨烯类材料由于其优异的力学与电学性能，已被开发利用于生物医学领域，很多研究都证明了石墨烯类材料对细胞行为有促进作用（包括粘附、迁移、增殖和分化），特别是对电敏感组织，如心脏、神经和肌肉等。然而，石墨烯较差的分散性与加工性，很大程度上限制了其进一步应用。面对这样的限制，王红军教授领导的团队将层层组装（L-B-L）、原位还原等技术结合起来，利用氧化石墨烯（GO）的易加工性和还原后（rGO）的高导电性，对三维支架材料进行涂层，从而实现了三维几何拓扑特征和物理电学性能的互联互通。
图2. （A）在电场作用下，不同纤维直径的导电支架材料对大鼠嗜铬细胞瘤细胞系(PC-12细胞)引导的免疫荧光染色照片。（B）PC-12细胞分化神经突取向性分析。
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，并分别将原代小鼠海马神经元和大鼠嗜铬细胞瘤细胞系（PC-12细胞）在支架上进行培养，同时施以不同强度的电刺激。研究发现在最佳ES (100-150 mV cm-1) 条件下，神经元细胞能够沿着三维导电支架形成类神经网络。并且，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。研究同时指出，在电刺激作用下不同角度对神经元的分化影响差异不显著。为进一步使该支架具有体内组织适用性，该团队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，神经突可以沿着轴向取向性生长，为新型神经导管的构建提供了新的思路。
图3. （A）氧化石墨烯/还原氧化石墨烯在支架涂层后的表征。（B）在电刺激下，PC-12细胞在蜘蛛网状支架上生长的免疫荧光照片。（C）氧化石墨烯/还原氧化石墨烯在三维轴向管状支架涂层后的表征。（D）在电刺激下，PC-12细胞在三维轴向管状支架上生长的免疫荧光照片。
综上所述，将氧化石墨烯/还原氧化石墨烯涂层于三维纤维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。与NFEP技术相结合，可以定制纤维的大小及其三维空间分布，对引导三维类神经网络的形成具有广泛的适用性。这种创新的尝试，为神经组织工程与神经再生相关的研究拓展了更多的可能性。
以上研究成果发表在Advanced Materials，东华大学公派联合培养王娟博士与斯蒂文斯理工学院博士生王皓宇为该论文共同第一作者，东华大学化工与生物工程学院莫秀梅教授为参与者，斯蒂文斯理工学院生物医学工程系王红军教授为该论文的通讯作者。
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Reduced Graphene Oxide-Encapsulated Microfiber Patterns Enable Controllable Formation of Neuronal-Like Networks
Juan Wang, Haoyu Wang, Xiumei Mo, Hongjun Wang
Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202004555
王红军教授简介
王红军博士，现任职于美国斯蒂文斯理工学院生物医学工程系教授，并兼职于化学与生物化学系教授。其先后于南开大学(获得理学学士、硕士、博士学位)及荷兰德温特大学学习(获生物医学工程博士学位)。毕业后，在美国哈佛医学院从事博士后研究。其课题组侧重于生物仿生材料，组织工程，3D组织重建与再生，以及3D生物打印等方面的研究。近年来先后发表学术论文近100篇，申请发明专利12项，并参与撰写英文书籍及章节10余部。长期担任Advanced Materials、Nature Communication、PNAS、JACS, Biomaterials、ACS Nano 等不同杂志的审稿人。
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