中科院蘇州納米所張智軍團(tuán)隊：生物3D打印導(dǎo)電水凝膠支架調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞定向分化

來源：高分子科技

神經(jīng)干細(xì)胞（Neural stem cell, NSC）作為一類多能干細(xì)胞，能夠分化為神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞等多種神經(jīng)細(xì)胞，對于神經(jīng)損傷性或退行性疾病而言，移植神經(jīng)干細(xì)胞至病灶部位可以實現(xiàn)缺損神經(jīng)組織的再生連接。因此，神經(jīng)干細(xì)胞移植被視為最具潛力的神經(jīng)系統(tǒng)疾病臨床治療方案之一。但移植后的神經(jīng)干細(xì)胞在體內(nèi)暴露于病灶部位險惡的微環(huán)境之中，因此呈現(xiàn)出較低的存活率，同時難以專一地向神經(jīng)元分化，因而極大地限制了移植神經(jīng)干細(xì)胞的治療效果。

組織工程學(xué)的發(fā)展為NSC移植提供了一種可行的策略，即利用具有良好的生物安全性和一定的生物功能性的支架負(fù)載神經(jīng)干細(xì)胞進(jìn)入病灶部位，支架為NSC的生長、黏附及分化提供適宜的微環(huán)境，從而提高移植神經(jīng)干細(xì)胞的體內(nèi)存活率。其中，生物3D打印因其可以實現(xiàn)高精度、個性化的細(xì)胞和生物材料一體化制造，而被視作最理想的神經(jīng)組織工程支架制備工藝之一。但是，傳統(tǒng)的電絕緣的3D打印支架很難完全滿足神經(jīng)干細(xì)胞生長及定向分化對細(xì)胞-支架間神經(jīng)電信號傳導(dǎo)的要求。

基于此，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張智軍研究員團(tuán)隊利用微擠出式生物3D打印技術(shù)，構(gòu)建了負(fù)載神經(jīng)干細(xì)胞的三維導(dǎo)電水凝膠支架，實現(xiàn)了支架內(nèi)神經(jīng)干細(xì)胞向神經(jīng)元的定向分化（圖1）。研究人員首先以天然高分子硫酸軟骨素為合成模板，以單寧酸為摻雜劑，通過原位聚合的方式，合成了一種水溶性的導(dǎo)電聚合物（PEDOT:CSMA,TA，圖2），將其與明膠甲基丙烯酸酯(GelMA)/聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)前驅(qū)體溶液復(fù)合，制備了一種具有良好生物安全性、較高導(dǎo)電性及合適力學(xué)強(qiáng)度的導(dǎo)電水凝膠生物墨水，利用明膠物理性凝膠的自愈合特性，實現(xiàn)了負(fù)載神經(jīng)干細(xì)胞的導(dǎo)電水凝膠支架的3D打印。打印支架具有很高的形狀保真度，并且在體外培養(yǎng)過程中保持規(guī)則的形狀。打印后的神經(jīng)干細(xì)胞在支架內(nèi)部呈現(xiàn)出高存活率（接近100%），沿著支架微絲邊緣黏附生長（圖3）。更重要的是，導(dǎo)電聚合物的摻雜，顯著提高了支架內(nèi)部神經(jīng)干細(xì)胞向神經(jīng)元的分化效率，同時抑制了其向星形膠質(zhì)細(xì)胞的分化，并伴隨著神經(jīng)突起的延伸，從而有利于導(dǎo)電水凝膠支架內(nèi)部神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的形成（圖4）。

圖1 導(dǎo)電水凝膠生物墨水的制備（左）及支架的生物3D打?。ㄓ遥┝鞒淌疽鈭D。

圖2導(dǎo)電聚合物的(A)化學(xué)結(jié)構(gòu)及其(B-D)理化性質(zhì)表征。

圖3 (A) 負(fù)載細(xì)胞3D打印所制備的導(dǎo)電水凝膠支架內(nèi)部神經(jīng)干細(xì)胞活死染色熒光圖像；(B) 打印后神經(jīng)干細(xì)胞存活率；(C) 打印支架內(nèi)部神經(jīng)干細(xì)胞增殖行為。

圖4 (A) 導(dǎo)電水凝膠支架內(nèi)部神經(jīng)干細(xì)胞向神經(jīng)元及星形膠質(zhì)細(xì)胞分化的免疫熒光染色圖像；(B) 支架內(nèi)部神經(jīng)干細(xì)胞分化行為的定量統(tǒng)計結(jié)果; (C) 支架內(nèi)部神經(jīng)干細(xì)胞分化神經(jīng)元的神經(jīng)突起長度的定量統(tǒng)計結(jié)果。

上述工作為仿生神經(jīng)組織移植體的快速、精準(zhǔn)構(gòu)建及其再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了一種新思路。相關(guān)研究成果以“Neural stem cell-laden 3D bioprinting of polyphenol-doped electroconductive hydrogel scaffolds for enhanced neuronal differentiation”為題近期在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《Materials Science & Engineering C》上，中科院蘇州納米所博士研究生宋少帥為論文第一作者，張智軍研究員和黃潔副研究員為共同通訊作者。研究工作得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項（XDA16020100）、科技部國家重點研發(fā)計劃（2016YFC1000809）及國家自然科學(xué)基金（81801769）等項目的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.msec.2021.112639

作者簡介

中科院蘇州納米所張智軍研究員：博導(dǎo)，近年來主要從事生物材料與干細(xì)胞再生醫(yī)學(xué)、干細(xì)胞納米示蹤技術(shù)以及納米載藥系統(tǒng)與診療一體化納米平臺的構(gòu)建研究。迄今在《Nature Materials》，《Nano Letters》，《Advanced Materials》以及《Biomaterials》等國際學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文110余篇，引用8000余次；獲美國專利1項、中國專利10項。近年來承擔(dān)了國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項以及中國科學(xué)院重點部署項目等科研課題。

中科院蘇州納米所黃潔副研究員：博士，近年來主要從事各種納米材料的設(shè)計、合成、及其在干細(xì)胞示蹤及腫瘤成像方面的應(yīng)用；新型高分子水凝膠的研制及其在干細(xì)胞再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。以一作或通訊作者身份在《Advanced Materials》、《Advanced Functional Materials》、《Biomaterials》、《Small》等國際主流期刊上發(fā)表論文19篇。

課題組主頁：http://biomed.sinano.ac.cn/ketizu/index.php?id=32