电诱导脑神经元细胞在微纳图形化的电极表面生长机理研究

临床医学中，采用脑深部电极刺激治疗神经障碍类疾病常遇到电极在使用过程中出现刺激效果下降的问题，其原因是电极和脑神经元之间界面上生长出一层纤维包囊组织。修饰电极表面、改变细胞生长形态是研究植入物界面组织的常用方法，但自然状态下电极表面上神经细胞研究往往导致结果失真。为促进神经元生长以减薄甚至消除纤维包囊，本项目提出一种电诱导状态下微纳结构修饰的电极表面对神经元生长特性进行干预的方法（简称电诱导表面技术）。以揭示电诱导时神经细胞在不同结构上的生长机理为目标任务，深入系统地研究导电状态下神经元细胞的液相特性、生物学特性和电极表面微纳结构之间的内在关联性等基础理论问题，建立电诱导脑组织液的电润湿方程，以构建电诱导表面技术的基础理论体系，探索电诱导下神经元细胞生物学特性和电极表面结构之间的关系，从理论和实验两方面研究神经元细胞的生长特性。从基础理论研究和制造方面为实现脑电极最佳使用效果提供依据。

植入脑深部的生物电极在使用过程中常出现刺激效果下降的问题，其原因是电极和脑神经元之间界面上生长出一层纤维包囊组织。本项目针对纤维包囊降低电刺激效果和自然状态下研究电极表面上细胞生长培养失真难题，创新引入电诱导状态下微纳结构修饰电极表面对神经元生长进行干预的方法，深入系统地研究导电状态下电极表面微纳结构对神经元细胞的液相特性、生物学特性的影响。重点解决了自然状态下和导电状态下脑神经元细胞在不同微纳结构上的生长和状态变化规律、不同图形化修饰表面对电极性能的影响和电诱导状态下神经元细胞生物特性和电极表面结构之间的关系等问题，修正了细胞培养中电润湿理论方程，基本建立了基底表面形貌和细胞生长状态的润湿理论体系。此外，本项目还进行了硅基纳米级铂薄膜在人工脑脊液中耐蚀性研究。.研究结果表明：.(1)电润湿理论分析发现，细胞在纳米图型化表面生长时，在不同的纳米图型化表面细胞生长将会呈现出不同的状态；细胞生长形态受表面图型结构、固体面积分数、浸入深度以及细胞本身大小影响。根据修正的润湿方程，可推测细胞液在不同表面的形态。.(2)研究发现，铂薄膜（400nm厚）硅基电极在人工脑脊液中浸泡2年后，铂薄膜被腐蚀成孔，纳米级厚度的铂薄膜电极不适合在人体中长期植入，必须对铂薄膜进行改性处理。.(3)研究发现，大鼠海马脑神经元细胞在有序的凹坑纳米级图形化表面生长时，并未表现明显的受图形化结构影响。主要原因是由于脑神经元细胞尺寸（约10~100微米）相对纳米级凹坑尺寸过大，其对较小尺寸结构并不敏感造成的。.(4)研究发现，大鼠海马脑神经元细胞在沟槽状纳米级图形化表面生长时，其生长方向受图形影响，神经元细胞生长出的树突和轴突沿图形结构方向伸长，在宽400纳米间距为400纳米的沟槽表面（树突、轴突尺寸和图形尺寸接近），其生长情况最好。.(5)大鼠海马脑神经元细胞在铂薄膜表面不生长，原因是由于铂的电镀性差，电镀形成的铂黑薄膜表面微结构尺寸为纳米级，形成超疏水结构，液体在其上的接触角较大，细胞不容易贴壁。大鼠海马脑神经元细胞在氧化铱薄膜表面生长出神经元细胞特有的树突和轴突，形态饱满，生长状态良好。.(6) 在通电状态下进行细胞培养，细胞组织液和基底的接触角减小，有利于细胞的贴壁和生长，存活的细胞数量多，细胞生长状态良好。