清華新聞網(wǎng)2月20日電 開(kāi)發(fā)新型的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，對(duì)單個(gè)神經(jīng)元或者特定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確地激活和/或抑制，對(duì)于深入理解大腦的運(yùn)行機(jī)理、開(kāi)發(fā)神經(jīng)疾病治療手段等都具有重要的意義。生物支架在組織修復(fù)、疾病治療等生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)中扮演著極其重要的角色。
傳統(tǒng)的生物支架主要起著力學(xué)支撐的作用，生物功能較為單一，為了提高其生物活性，往往需要添加生長(zhǎng)因子、藥物等生物化學(xué)物質(zhì)。然而，生物化學(xué)物質(zhì)在體內(nèi)的釋放過(guò)程中面臨著可控性差，時(shí)空分辨率低以及時(shí)效性短等問(wèn)題。相比較而言，基于光電信號(hào)等物理場(chǎng)的生物調(diào)控方式具有可控性好、時(shí)空分辨率高、作用周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，使其在生物調(diào)控等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
圖1. 三維光電生物支架示意圖
近日，清華大學(xué)電子工程系盛興副教授課題組與合作者開(kāi)發(fā)了一種具備光電功能的新型生物活性支架，研究者將薄膜單晶硅器件與有機(jī)生物材料集成，結(jié)合微納加工技術(shù)，制備了具有多層級(jí)結(jié)構(gòu)、仿天然骨組織的三維光電生物支架。在光照情況下，薄膜單晶硅器件可產(chǎn)生電信號(hào)，能夠刺激并調(diào)控骨髓干細(xì)胞的活動(dòng)，并進(jìn)一步促進(jìn)動(dòng)物缺損顱骨組織的修復(fù)與再生。與傳統(tǒng)電刺激方式相比，這種無(wú)線(xiàn)的光電刺激方式可以減少導(dǎo)線(xiàn)連接對(duì)周?chē)M織造成損傷。此外，包含薄膜硅的支架結(jié)構(gòu)可以在生物體內(nèi)安全降解，具備良好的生物相容性，能夠避免二次手術(shù)，降低感染的風(fēng)險(xiǎn)。這種可生物降解、無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程供能、具備光電活性的新型生物支架，為組織工程研究和臨床應(yīng)用開(kāi)辟了新思路。
圖2. 三維仿生光電生物支架及其生物可降解特性
研究團(tuán)隊(duì)將薄膜硅器件與骨髓干細(xì)胞、生物組織等結(jié)合，構(gòu)建了光電生物界面，在不需要引入光遺傳學(xué)等基因編碼工具條件下，借助光照時(shí)硅與細(xì)胞界面處產(chǎn)生的極化光生電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)骨髓干細(xì)胞膜電位、胞內(nèi)鈣離子活動(dòng)、增殖分化等生理活動(dòng)的有效調(diào)控。
圖3. 薄膜硅器件的光電響應(yīng)及其對(duì)干細(xì)胞膜電位和鈣離子濃度的光電調(diào)控作用
進(jìn)一步，研究人員將薄膜單晶硅器件與羥基磷灰石等生物材料集成，制備了仿天然骨組織的三維生物支架，利用薄膜硅賦予支架光電活性，使其具備光電響應(yīng)功能。在活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，三維光電生物支架被植入大鼠顱骨缺損部位，利用支架的光電刺激作用，有效地促進(jìn)了顱骨組織的修復(fù)與再生，完成了光電生物支架系統(tǒng)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的驗(yàn)證與應(yīng)用。
圖4. 光電生物支架促進(jìn)大鼠顱骨修復(fù)
該研究成果以“三維仿生光電生物支架促進(jìn)顱骨修復(fù)”（A 3D Biomimetic Optoelectronic Scaffold Repairs Cranial Defects）為題發(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）。
文章的共同通訊作者為清華大學(xué)電子工程系、清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院盛興副教授和北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院副主任醫(yī)師王宇光，第一作者為清華大學(xué)電子工程系博士生王華春，合作者來(lái)自北京協(xié)和醫(yī)院，北京大學(xué)口腔醫(yī)院，積水潭醫(yī)院，清華大學(xué)電子工程系、材料學(xué)院、生命科學(xué)學(xué)院等單位。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、清華大學(xué)電子系自主科研項(xiàng)目、清華大學(xué)新型陶瓷與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq7750
供稿：電子系
編輯：李華山
審核：郭玲
