科學家研發出新型三維碳神經支架 有望用於治療阿爾茨海默症

（觀察者網訊）

新華社南京2月26日電（記者王珏玢）記者從中科院蘇州納米所獲悉，由中國、意大利、美國學者組成的一個國際研究團隊，最新研發出一種三維石墨烯-碳納米管複合網絡支架。這種生物支架能很好地模擬大腦皮層結構，未來，研究者們不僅能借助支架清晰、直觀地看到腦部疾病的發展過程，還有望將其植入大腦，用於阿爾茨海默症等多種神經退行性疾病的治療。

碳神經支架是一種基於石墨烯、碳納米管等新型超微碳材料的生物支架。它通過模擬體內複雜的微環境，構建神經幹細胞和原代神經元的生長環境。科研人員發現，相比在二維的培養皿中觀察、培養神經細胞，三維支架更接近腦部實際環境，神經幹細胞的增殖和定向分化效率也大大提高。

此次研究中，合作組成員用石墨烯模擬大腦內部四通八達的三維框架，用更微小的碳納米管模擬神經元細胞，成功構建出“互聯互通”的三維複合碳神經支架。利用這種支架培養原代大腦皮層神經元，能更好地模擬大腦皮層的複雜性。研究者將腦膠質瘤細胞“種植”在構建的大腦皮層模型中，結合先進的成像和分析技術，就能清晰看到腫瘤細胞的發展進程。此外，研究者還構建了藥物治療模型，利用三維支架觀察不同抗癌藥物對腫瘤的實際抑制效果。

“新支架不僅能用於藥物的篩選，未來還可能被移植進人體，用於阿爾茨海默症、帕金森綜合徵等疾病的治療。”參與此項研究的中科院納米-生物界面重點實驗室研究員程國勝説，針對多種神經退行性疾病的治療，醫學界已經提出移植神經幹細胞的構想。三維碳神經支架將是很好的載體，它能幫助醫生將神經幹細胞精準放置到病變地點，並幫助其增殖、分化，以實現治療的目的。

相關研究成果已於近期發表在材料學領域國際權威刊物《先進材料》（Advanced Materials）上。

　Advanced Materials雜誌內封面介紹文字及配圖

中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所介紹，微環境中支架維度、剛度、拓撲結構等物理因素，表面功能團修飾等化學因素，以及胞外因子緩控釋等生物因素，決定了幹細胞增殖狀態與分化方向的命運。

基於石墨烯和碳納米管的生物材料具有優異的生物相容性、突出的導電性以及良好的可操作性和機械穩定性，在神經電級、組織工程和再生醫學等領域獲得了較廣泛的應用。碳納米管的一維獨特結構使其能夠與細胞形成緊密聯繫從而促進神經電信號傳導；三維石墨烯具有優異的三維可操作性，可為細胞的生命活動提供良好的三維微環境。

中科院納米-生物界面重點實驗室程國勝團隊一直以來致力於開發基於碳材料的三維生物支架，模擬體內微環境的複雜性，構建神經幹細胞和原代神經元的生長微環境。該團隊率先提出了三維石墨烯泡沫神經支架，經過多年努力，對三維石墨烯如何調控神經幹細胞增殖、分化、遷移、粘附，進行了深入研究，取得了較系統性研究成果（Scientific Reports, 2013, 3, 1604；2016, 6, 29640; Biomaterials, 2013，34, 6402；2014, 35, 6930；ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8, 25069；2016, 8, 34227）。

三維石墨烯生物學特性與其結構和尺寸緊密聯繫，通過控制三維石墨烯的結構和尺寸，能夠有效調控其性質，以滿足不同的應用需求。該團隊利用微納加工技術的可控性，採用光刻、電鍍、退火、化學氣相沉積等方法獲得了形狀和尺寸均一的“量身定製”三維石墨烯支架（Advanced Functional Materials, 2015, 25, 6165, inside cover）。在此工作基礎上，在三維石墨烯的底部設計了二維石墨烯薄膜，利用化學氣相沉積法構建了三維-二維石墨烯複合支架，將其作為神經支架，底部二維石墨烯薄膜能夠為神經細胞在孔隙間的有效跨越提供支撐，更好地模擬神經網絡。此外，該複合支架的形狀和尺寸精確可控，通過改變支架寬度可調控神經祖細胞的定向分化行為，該研究結果近期發表於Carbon, 2019, 145, 90。

石墨烯構建各種碳材料的示意圖

最近，程國勝團隊通過與意大利國際高等研究院（SISSA）合作，成功構建了“互聯互通”三維石墨烯-碳納米管複合網絡支架。這種三維碳複合材料成功克服了傳統三維石墨烯泡沫空隙過大的缺點，同時真正意義上實現了碳納米管三維空間網絡的構建。碳納米管在石墨烯表面的原位生長，使得複合支架具有優異的導電性和機械穩定性，實現了碳納米管和石墨烯的三維幾何，機械和電學互聯互通。利用這種複合支架培養原代大腦皮層神經元，其能更好地模擬大腦皮層的複雜性。將腦膠質瘤細胞種植在構建的大腦皮層模型中，利用先進的成像和分析技術，系統研究了單膠質瘤細胞在三維空間上的速度分步，成功構建了腦膠質瘤的運動模型。對於新型藥物的篩選以及進一步的精準醫療具有重要意義。目前該工作以內封面發表在《先進材料》（Advanced Materials, 2018, 30, 1806132, inside cover）。Wiley旗下Advanced Science News對該工作進行了重點視頻報道 (https://www.advancedsciencenews.com/mimicking-brain-connectivity-with-a-graphene-carbon-nanotube-web-video/)。

這些研究進展得到了“幹細胞研究”國家重大科學研究計劃（2014CB965000）、國家自然科學基金委國際合作重點專項（51361130033）、江蘇省重點研發計劃（BE2017665）等項目資助，並得到了蘇州納米所分析測試與加工平台的大力支持。