研究石墨烯作为导电神经表面的可行性

最近发表在《Nano Letters》杂志上的一项研究考察了石墨烯作为导电神经表面的活力，能够促进细胞粘附、神经分支和扩张。

研究：Modulation of Early Stage Neuronal Outgrowth through Out-of-Plane Graphene 图片来源：Rost9/Shutterstock

神经元必须结合来自外部环境的大量刺激，才能正确构建神经网络。由于其惊人的有效性，这种机制在生长和轴突再生过程中皮层的正确布线中起着至关重要的作用。在这种情况下，已经表明，生物驱动的微结构和纳米结构基底，如石墨烯，控制着这种轴突膨胀。

神经组织工程：概述和意义

构成大脑的复杂神经回路是由轴突链的伸长形成的，轴突链通过复杂的导航机制引导到目的地。像这样的系统对于大脑生长过程中神经元回路的初步布线和再生轴突的重新布线是必需的，这允许大脑回路在损伤或疾病后进行功能再生。

神经生长锥（GC）是位于拉伸轴突末端的感觉运动元件，控制神经元方向和神经元网络创建的固有复杂性。GC在其细胞外基质中使用各种化学和地理刺激来确定轴突发育和转向响应性。

神经组织工程的一个基本问题是设计能够通过细胞 – 材料界面的接触引导机制促进和控制轴突发育的生物启发平台。例如，各向异性地形、裂缝或纤维可用于调节轴突方向。中断的结构，如纳米线或柱子，也可能加速神经突和轴突的发育。

石墨烯：神经组织工程的未来

石墨烯是由组织在二维蜂窝晶格纳米结构中的单层原子制成的碳同素异形体。石墨烯因其出色的机械强度、导电性、不透明度和薄度而成为一种理想的多功能纳米材料。

石墨烯的特殊功能组合使其成为一个有趣的材料平台，用于在各个领域创建下一代解决方案，包括超灵敏探测器、多维材料、医学、微生物学和储能。

石墨烯最近引起了神经病学和神经组织工程研究人员的关注，因为它独特的化学组成，其中包括非常强的碳键，细胞相容性和高导电性。石墨烯基表面诱导神经突起芽和生长的能力使它们成为神经接口的有力竞争者。

尽管2D石墨烯培养系统可用于研究基于石墨烯的底物对复杂细胞过程的影响，但需要旨在体外模仿脑组织复杂性的新技术来控制早期神经元扩张。

研究人员在当前的研究中做了什么？

在这项研究中，研究人员展示了微米平面外石墨烯纳米结构的细胞指导能力。在实验过程中，在塌陷的硅纳米线（SiNW）网格模板上创建了三维模糊石墨烯结构（3DFG）。

在神经网络的初始开发阶段，利用光学成像和聚离子束/扫描电子显微镜方法（FIB/SEM）来评估所制备的石墨烯结构的细胞相容性及其对生长锥（GCs）几何形状和尺寸的影响。还研究了主要由肌动蛋白和微管形成定义的GC的细胞骨架排列。

分析了GC内面外石墨烯形貌的影响，并与二维石墨烯实例进行了比较。此外，从多个角度研究了神经元与石墨烯的连接，包括整合素介导的界面粘附位点和细胞膜曲率动力学。

研究的主要进展

所生产的3D石墨烯结构被证明与皮质神经元具有高度的生物相容性，使它们能够粘附和生长。研究人员证明，石墨烯形貌结构和SiNW网格的微米特性会影响生长锥（GC）的形成和寻路活动，控制GC形状，轴突延伸，分叉和粘附。

在3D石墨烯表面冲击下产生的轴突也更长，中间神经突更少。纳米线网的微米突出特性刺激GC采用微小的子弹形结构，这种GC形态在具有高导航活性的神经元中更常见。

这些结果突出了开发纳米形貌对于适当调节细胞 – 材料界面神经元功能的重要性。这项研究还可能导致发明更有效的再生药物，因为它提供了对底物介导的对GC产生和轴突寻路活动的影响的更深入的了解。

参考

Matino, L. et al. (2022). Modulation of Early Stage Neuronal Outgrowth through Out-of-Plane Graphene.

Nano Letters.

doi: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03171

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c03171