多级有序的导电聚合物基底和电刺激协同调控神经细胞的生长行为

This proposal describes a collaborative effort in developing conductive polymer with hierarchically ordered surface topography and electrical stimulation, and studying how these effects will modulate the neural cell response. We present a facile and robust route to creating a large-scale hierarchical assemblies of conductive polymer based on controlled evaporative self-assembly (CESA). We will investigate how to control the morphology and chain orientation by controlling molecular weight, concentration of solution, solvent effect as well as mixing with biocompatible polymer, and Confocal polarized Raman spectroscopy is employed to determine the orientation of P3HT chains in individual stripe. The highly ordered and oriented hierarchical structures will be chosen to study the cellular response to the nano-micro environment. This project will lead to a better understanding of neural cells-environment interaction in general, and eventually benefit many biomedical applications, including neural tissue engineering, nerve injury diagnosis and therapeutics, and regenerative medicine.

本项目利用多级有序的纳微拓扑结构以及电刺激共同诱导神经细胞的生长方向及分化行为。采用受限蒸发自组装的方法制备大面积、多级有序的图案化基底，选用P3HT作为组装对象，系统地研究P3HT的分子量、溶液浓度、溶剂效应以及掺杂生物相容性的绝缘高分子对组装图案及分子链取向的影响，并用偏振拉曼表征条带内分子链的取向。在此基础上研究纳微环境对神经细胞生长行为的影响，揭示并理解电刺激的空间分布及材料的纳微拓扑结构对神经细胞生长的调控作用。最终使我们更好地理解神经细胞与环境相互作用的根本机制，并将为开发新型组织工程材料，实现神经细胞的再生修复，解决神经损伤诊疗过程等各个领域提供新的研究平台及机遇。

如何调控神经细胞的生长方向并促进轴突的生长是神经细胞能否再生修复的关键。基底表面的拓扑形貌以及电刺激效应是诱导神经细胞取向和促进轴突生长的两个关键因素。本项目选用导电高分子 P3HT 作为组装对象，采用受限蒸发自组装的方法制备了大面积、多级有序的导电图案化基底，系统地研究 P3HT 的分子量、溶液浓度、溶剂效应对组装图案及分子链取向的影响，研究了P3HT 在二维、三维受限空间下的自组装和取向行为，并利用激光共聚焦偏振拉曼光谱对单根条带内 P3HT 分子链的各向异性进行了表征，从分子水平上去理解了自组装结构、分子链取向以及电性能之间的关系，并利用多级有序的纳微拓扑结构以及电刺激共同诱导了神经细胞的生长方向及分化行为。在此基础上研究了纳微环境对神经细胞生长行为的影响，揭示并理解了电刺激的空间分布及材料的纳微拓扑结构对神经细胞生长的调控作用。最终使我们更好地理解神经细胞与环境相互作用的根本机制，并将为开发新型组织工程材料，实现神经细胞的再生修复，解决神经损伤诊疗过程等各个领域提供新的研究平台及机遇。得到的关键数据如下：（1）通过调控溶解性和蒸发速率，可得到高度规整的 P3HT条带，且条带内的纳米线呈现紧密堆积。相比传统通过机械外力摩擦取向分子链的方法通过该方法所获得外部区域的单根条带内分子链的取向分数可高达72%。此外，通过调控溶解性和蒸发速率，在混合溶剂中获得的组装结构的电导率要比单一溶剂增加 1-2个数量级。（2）所获得的纳、微拓扑结构以“接触传导”的方式诱导神经细胞的取向生长，取向率高达87%，施加电刺激后可进一步促进神经细胞的分化及轴突取向生长。.在本项目的资助下，我们完成了项目研究内容，达到了预期研究目标，在Biomacromolecules；Phys. Chem. Chem. Phys.；ACS Appl. Mater. Interfaces; J. Mater. Chem. B; Chem. Commun.; Polym. Chem. ChemBioChem; RSC Adv. 等期刊上共发表标有基金支持论文20篇。