3D打印纳米柱模拟大脑环境促进神经元生长

大脑中的关键细胞神经元通过交换信号形成网络，使大脑能够以惊人的速度学习和适应。荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）的研究人员开发了一种3D打印的类脑环境，其中神经元的生长与真实大脑相似

他们使用微小的纳米柱来模拟软神经组织和大脑细胞外基质纤维。该模型为神经元如何形成网络提供了新的见解，并为未来理解这一过程在阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和自闭症等神经系统疾病中的变化提供了一种新的工具

该研究发表在《高级功能材料》杂志上

神经元和身体中的许多细胞一样，对周围环境的刚度和几何形状做出反应。传统的培养皿是平坦而坚硬的，与大脑柔软的纤维状细胞外基质环境不同。为了模拟这种环境的几何和机械特性，Angelo Accardo副教授团队使用双光子聚合设计了纳米柱阵列，这是一种具有纳米级精度的3D激光辅助打印技术

这些柱子，每根都比人的头发细一千倍，就像表面上的小森林一样排列。通过改变柱子的宽度和高度（纵横比），研究人员调整了它们的有效剪切模量，这是细胞在微或纳米结构阵列上爬行时感知到的一种机械性能

Accardo说：“这会诱使神经元‘认为’它们处于一个柔软的、类似大脑的环境中，即使纳米柱的材料本身是坚硬的。在神经元爬行的过程中弯曲时，纳米柱不仅模拟了脑组织的柔软性，还提供了一个神经元可以抓住的3D纳米结构，就像真实脑组织中的细胞外基质纳米纤维一样。”。这会影响神经元如何生长和相互连接

从随机生长到有序网络

为了测试该模型，研究人员在纳米柱上生长了三种不同类型的神经元细胞，它们要么来自小鼠脑组织，要么来自人类干细胞。在传统的平培养皿和二维生物材料中，神经元以随机方向生长。但在3D打印的纳米柱阵列上，所有三种细胞类型都以更有组织的模式生长，以特定的角度形成网络

这项研究还揭示了对神经元生长锥的新见解

Accardo指出，“这些手状结构在生长中的神经元寻找新的连接时引导其尖端。在平坦的表面上，生长锥展开并保持相对平坦。但在纳米柱阵列上，生长锥体发出长而手指状的投影，从各个方向探索周围的环境——不仅沿着平坦的平面，而且在3D空间中，类似于真实大脑环境中发生的事情。”

“此外，我们发现纳米柱创造的环境似乎也鼓励神经元成熟，”该研究的第一作者George Flamourakis强调道。与在平坦表面上生长的神经祖细胞相比，在柱子上生长的神经元祖细胞显示出更高水平的成熟神经元标志物

“这表明该系统不仅影响生长方向，还促进神经元成熟，”Flamourakis补充道

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研究大脑疾病的工具

然而，如果柔软性如此重要，为什么不在凝胶等软材料上生长神经元呢

Accardo解释说：“问题在于，凝胶基质，如胶原蛋白或Matrigel，通常存在批次间的差异，并且没有合理设计的几何特征。纳米柱阵列模型提供了两全其美的效果：它的行为就像一个具有纳米特征的软环境，并且由于双光子聚合的分辨率，具有极高的可重复性。”

通过更好地复制神经元的生长和连接方式，开发的模型可以为健康大脑网络与阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和自闭症等神经系统疾病之间的差异提供新的见解 More information: George Flamourakis et al, Deciphering the Influence of Effective Shear Modulus on Neuronal Network Directionality and Growth Cones' Morphology via Laser‐Assisted 3D‐Printed Nanostructured Arrays, Advanced Functional Materials (2024). DOI: 10.1002/adfm.202409451

Journal information: Advanced Functional Materials