科研进展

深圳先进院研发出受生物启发的具有增强抗炎效应和促进神经网络化的微锥阵列神经界面

  

  近日,中国科学院深圳先进技术研究院医工所纳米调控与生物力学研究中心杜学敏研究团队与脑所脑图谱中心鲁艺研究团队合作,研发出具有微锥阵列结构的神经接口器件,能显著促进神经元突触的贴附和攀爬(类爬山虎行为)和周期性神经元网络构建,不仅极大提高神经器件植入后的生物相容性与有效性,而且也为神经元网络重建与功能调节提供全新策略与方法。研究成果以Bioinspired microcone-array-based living biointerfaces: enhancing the anti-inflammatory effect and neuronal network formation为题,发表在工程领域权威期刊Microsystems & Nanoengineering (影响因子:5.05) 陈洪旭、王璐璐为共同第一作者,杜学敏研究员与鲁艺研究员为共同通讯作者,深圳先进院为唯一通讯单位。

  神经刺激技术因对神经系统疾病(如帕金森症、癫痫、失明和抑郁等)的治疗有显著效果而备受关注。传统植入式神经器件通常采用金属、有机物和高分子等复合材料制备,但因其与生物组织性能相差较大,植入后易被视为异物而引起炎性反应,最终导致器件被纤维化组织包裹以及植入体周围神经元的死亡。上述问题显著影响了神经器件在慢性植入过程中的性能,严重阻碍了神经刺激技术的广泛应用。因此,如何减轻神经器件界面的炎性反应并实现长期有效的刺激,是植入式神经器件亟待解决的关键问题。 

  针对现有挑战,研究团队提出通过神经器件表面形貌调控进而实现有效抗炎性反应功能。基于研究团队前期微纳结构精准调控(Materials Horizons, 2020, 7(5), 1341Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6(48), 24748ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11(17), 15927)与通过微纳结构形貌动态调控细胞行为(National Science Review, 2020, 7, 629)的研究基础上,研究团队采用胶体晶体刻蚀方法制备出仿玫瑰花瓣表面独有的微锥阵列结构,并将这类结构设计到神经器件表面。通过原代神经细胞培养实验,发现神经器件界面的微锥阵列结构与神经元胞体尺寸接近,因而能有效促进神经元细胞的粘附;其表面特殊的微纳形貌显著促进了神经元突触的攀附和生长,并形成独特的周期性神经网络。非常有意思的是,结合慢性植入实验,研究团队还发现这类结构同时能阻碍星型胶质细胞的贴附和组织包囊的形成,进而证实了具有微纳形貌的植入式神经器件具有优异的抗炎功能。这项工作通过独特的物理结构有效降了低炎性反应并促进了神经元网络化,不仅为神经器件长期植入并有效刺激提供保障,而且也为重建神经元网络及调节神经功能提供全新策略与方法。 

  该系列研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然基金、中国科学院青年创新促进会、广东省、深圳市等科技项目资助。 

  论文链接 

表面设计有微锥阵列结构的神经接口器件有效降低炎性反应并促神经元网络化

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