三維碳材料神經支架研究取得進展

微環(huán)境中支架維度、剛度、拓撲結構等物理因素，表面功能團修飾等化學因素，以及胞外因子緩控釋等生物因素，決定了干細胞增殖狀態(tài)與分化方向的命運。

基于石墨烯和碳納米管的生物材料具有優(yōu)異的生物相容性、突出的導電性以及良好的可操作性和機械穩(wěn)定性，在神經電極、組織工程和再生醫(yī)學等領域獲得較廣泛的應用。碳納米管的一維獨特結構使其能夠與細胞形成緊密聯系從而促進神經電信號傳導；三維石墨烯具有優(yōu)異的三維可操作性，可為細胞的生命活動提供良好的三維微環(huán)境。

中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所納米-生物界面重點實驗室程國勝團隊一直以來致力于開發(fā)基于碳材料的三維生物支架，模擬體內微環(huán)境的復雜性，構建神經干細胞和原代神經元的生長微環(huán)境。該團隊率先提出了三維石墨烯泡沫神經支架，經過多年努力，對三維石墨烯如何調控神經干細胞增殖、分化、遷移、粘附，進行了深入研究，取得了系統(tǒng)性的研究成果。

三維石墨烯生物學特性與其結構和尺寸緊密聯系，通過控制三維石墨烯的結構和尺寸，能夠有效調控其性質，以滿足不同的應用需求。該團隊利用微納加工技術的可控性，采用光刻、電鍍、退火、化學氣相沉積等方法獲得形狀和尺寸均一的“量身定制”三維石墨烯支架。在此工作基礎上，在三維石墨烯的底部設計了二維石墨烯薄膜，利用化學氣相沉積法構建了三維-二維石墨烯復合支架，將其作為神經支架，底部二維石墨烯薄膜能夠為神經細胞在孔隙間的有效跨越提供支撐，更好地模擬神經網絡。此外，該復合支架的形狀和尺寸精確可控，通過改變支架寬度可調控神經祖細胞的定向分化行為，該研究結果于近期發(fā)表。

最近，程國勝團隊通過與意大利國際高等研究院（SISSA）合作，成功構建了“互聯互通”三維石墨烯-碳納米管復合網絡支架。這種三維碳復合材料成功克服了傳統(tǒng)三維石墨烯泡沫空隙過大的缺點，同時真正意義上實現了碳納米管三維空間網絡的構建。碳納米管在石墨烯表面的原位生長，使得復合支架具有優(yōu)異的導電性和機械穩(wěn)定性，實現了碳納米管和石墨烯的三維幾何、機械和電學互聯互通。利用這種復合支架培養(yǎng)原代大腦皮層神經元，其能更好地模擬大腦皮層的復雜性。將腦膠質瘤細胞種植在構建的大腦皮層模型中，利用先進的成像和分析技術，系統(tǒng)研究了單膠質瘤細胞在三維空間上的速度分步，成功構建了腦膠質瘤的運動模型。對于新型藥物的篩選以及進一步的精準醫(yī)療具有重要意義。目前該工作以內封面發(fā)表在《先進材料》上。Wiley旗下Advanced Science News對該工作進行了重點視頻報道。

這些研究得到“干細胞研究”國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金委國際合作重點專項、江蘇省重點研發(fā)計劃等的資助，并得到蘇州納米所分析測試與加工平臺的大力支持。