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

來源：高分子科技

神經(jīng)干細胞（Neural stem cell, NSC）作為一類多能干細胞，能夠分化為神經(jīng)元、膠質(zhì)細胞等多種神經(jīng)細胞，對于神經(jīng)損傷性或退行性疾病而言，移植神經(jīng)干細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)干細胞的治療效果。

組織工程學的發(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載神經(jīng)干細胞進入病灶部位，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)干細胞生長及定向分化對細胞-支架間神經(jīng)電信號傳導的要求。

基于此，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張智軍研究員團隊利用微擠出式生物3D打印技術，構建了負載神經(jīng)干細胞的三維導電水凝膠支架，實現(xiàn)了支架內(nèi)神經(jīng)干細胞向神經(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)體溶液復合，制備了一種具有良好生物安全性、較高導電性及合適力學強度的導電水凝膠生物墨水，利用明膠物理性凝膠的自愈合特性，實現(xiàn)了負載神經(jīng)干細胞的導電水凝膠支架的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，導電聚合物的摻雜，顯著提高了支架內(nèi)部神經(jīng)干細胞向神經(jīng)元的分化效率，同時抑制了其向星形膠質(zhì)細胞的分化，并伴隨著神經(jīng)突起的延伸，從而有利于導電水凝膠支架內(nèi)部神經(jīng)元網(wǎng)絡的形成（圖4）。

圖1 導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導電聚合物的(A)化學結(jié)構及其(B-D)理化性質(zhì)表征。

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

圖4 (A) 導電水凝膠支架內(nèi)部神經(jīng)干細胞向神經(jīng)元及星形膠質(zhì)細胞分化的免疫熒光染色圖像；(B) 支架內(nèi)部神經(jīng)干細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、精準構建及其再生醫(yī)學應用提供了一種新思路。相關研究成果以“Neural stem cell-laden 3D bioprinting of polyphenol-doped electroconductive hydrogel scaffolds for enhanced neuronal differentiation”為題近期在線發(fā)表于國際學術期刊《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)略性先導專項（XDA16020100）、科技部國家重點研發(fā)計劃（2016YFC1000809）及國家自然科學基金（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，近年來主要從事生物材料與干細胞再生醫(yī)學、干細胞納米示蹤技術以及納米載藥系統(tǒng)與診療一體化納米平臺的構建研究。迄今在《Nature Materials》，《Nano Letters》，《Advanced Materials》以及《Biomaterials》等國際學術刊物發(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。近年來承擔了國家重點研發(fā)計劃、中國科學院戰(zhàn)略先導科技專項以及中國科學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計、合成、及其在干細胞示蹤及腫瘤成像方面的應用；新型高分子水凝膠的研制及其在干細胞再生醫(yī)學中的應用。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