一个柔软的，刺激的支架支持脑细胞的体外发育
脑机接口(bci)是最近的一个热门话题，像Neuralink这样的公司竞相开发通过微型植入电极连接人类大脑和机器的设备。脑机接口的潜在好处包括改善对神经系统疾病患者大脑活动的监测，恢复盲人的视力，以及允许人类仅用大脑控制机器。
但是这些设备发展的一个主要障碍是电极本身——它们必须导电，所以几乎所有的电极都是由金属制成的。金属并不是对大脑最友好的材料，因为它们很硬，很硬，而且不能复制大脑物理环境在哪个大脑里细胞典型的生长。
现在，哈佛大学Wyss研究所、哈佛大学John a . Paulson工程与应用科学学院(SEAS)和麻省理工学院共同开发了一种新型导电水凝胶支架，解决了这个问题。这种支架不仅能模拟脑组织的柔软多孔条件，还能在长达12周的时间里支持人类神经祖细胞(npc)生长和分化成多种不同的脑细胞类型。这一成就被报道在高级医疗保健材料．
“这种导电的水凝胶支架具有巨大的潜力。它不仅可以用于体外研究人类神经网络的形成，还可以创建可植入的生物混合脑机接口，与患者的脑组织更加无缝地集成，提高其性能并降低受伤的风险，“第一作者Christina Tringides博士说，她是Wyss和SEAS的前研究生，现在是ETH zrich的博士后研究员。
一个，很多
特里吉德斯和她的团队创造了他们的第一个hydrogel-based电极2021年，在制造更柔软的电极的愿望的推动下，电极可以“流动”，拥抱大脑的自然曲线、角落和缝隙。虽然研究小组证明了他们的电极与脑组织高度相容，但他们知道，与活细胞最相容的物质是其他细胞。他们决定尝试将活的脑细胞整合到电极本身，这可能会使植入的电极传输电脉冲通过更自然的细胞与细胞的接触进入病人的大脑。
为了使他们的导电水凝胶成为细胞更舒适的生存环境，他们在制造过程中增加了一个冷冻干燥步骤。在冷冻干燥过程中形成的冰晶迫使水凝胶材料集中在晶体周围的空间中。当冰晶蒸发时，它们留下了被导电水凝胶包围的孔隙，形成了一个多孔支架。这种结构确保了细胞有足够的表面积生长，并且导电成分将形成一个通过水凝胶的连续通道，向所有细胞传递脉冲。
研究人员改变了水凝胶的配方，制造出粘弹性(像果冻一样)或弹性(像橡皮筋一样)、柔软或坚硬的支架。然后，他们在这些支架上培养人类神经祖细胞(npc)，看看哪种物理特性的组合最能支持神经细胞的生长和发育。
在粘弹性和柔软的凝胶上生长的细胞在支架上形成晶格状结构网络，并在五周后分化成多种其他细胞类型。相比之下，在弹性凝胶上培养的细胞形成了团块，主要由未分化的npc组成。研究小组还改变了水凝胶材料中导电材料的数量，看看它是如何影响神经生长和发育的。支架的导电性越好，细胞就会形成更多的分支网络(就像它们在体内所做的那样)而不是团块。
然后，研究人员分析了在水凝胶支架内形成的不同细胞类型。他们发现，在粘弹性凝胶和弹性凝胶上生长的星形胶质细胞，在物理上和代谢上都支持神经元，形成了它们特有的长突起，当粘弹性凝胶含有更多的导电材料时，星形胶质细胞的数量明显更多。少突胶质细胞，产生髓鞘它隔离了神经元的轴突，也存在于支架中。粘弹性凝胶比弹性凝胶有更多的髓磷脂和更长的髓鞘节段，并且当凝胶中存在更多的导电物质时，髓磷脂的厚度增加。
(电)阻碍器
最后，研究小组通过水凝胶支架内的导电材料对活体细胞进行电刺激，以观察电刺激对细胞生长的影响。这些细胞每天或每隔一天用电脉冲15分钟。八天后，每天脉冲一次的支架只有很少的活细胞，而每隔一天脉冲一次的支架则充满了活细胞脚手架．
在这个刺激期之后，细胞在支架中放置了51天。每天刺激的支架中剩余的少量细胞没有分化为其他类型的细胞，而每隔一天的支架中有高度分化的神经元和长突起的星形胶质细胞。测试中电脉冲的变化似乎对凝胶中髓磷脂的含量没有影响。
Wyss研究所核心教员、资深作者Dave Mooney博士说:“在我们的支架内，人类npc成功分化为多种类型的脑细胞，这证实了导电水凝胶为它们提供了合适的体外生长环境。”“看到神经元轴突上的髓鞘形成尤其令人兴奋，因为在活的大脑模型中复制这一过程一直是一个挑战。”Mooney也是SEAS的Robert P. Pinkas家族生物工程教授。
Tringides正在继续研究导电水凝胶支架，并计划进一步研究各种类型的电刺激可以影响不同的细胞类型，并建立更全面的体外模型。她希望这项技术有一天能够创造出帮助患有神经和生理问题的人类患者恢复功能的设备。
“这项工作通过创造具有正确物理、化学和电学特性的体外微环境来支持人类的生长和专业化，代表了一项重大进步大脑细胞．这个模型可以用来加速寻找有效治疗神经系统疾病的过程，此外还开辟了一种全新的方法来创造更有效的电极和与神经组织无缝集成的脑机接口。我们很高兴看到这种材料科学、生物力学和组织工程的创新融合在未来的发展方向，”Wyss研究所的创始主任、医学博士Don Ingber说。
