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南理工冯章启课题组《Science Advances》:纤维内生电子for细胞调控,中国化工网,okmart.com
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南理工冯章启课题组《Science Advances》:纤维内生电子for细胞调控
2021年12月24日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

外源性电刺激在细胞和组织活性和功能表达调节上的显效性使其在生物医学领域展现出广阔的应用前景。但现有电刺激疗法均需要复杂的电控器件和微电极对标定区域的细胞或组织施加脉冲电流或电压,这种复杂器件和电极的植入在一定程度上增加了程控和手术的复杂性,并且会诱发各种并发症。同时,宏观且二维的电极刺激界面不能实现对目标区域的单细胞精准电子调控中国化工网okmart.com。最近,纳米技术和新型智能材料的最新进展使构建具有自生电子和高空间分辨率的无电极和无电池刺激技术成为可能。


南京理工大学冯章启课题组开发了一种由高度离散压电纤维组成的生物纳米发电机,其能够在三维结构和电学性能上高度模拟天然胶原ECM 的纳米含纤维复杂结构和自生电子功能,用以实现对细胞和组织的原位仿真电生理刺激和复杂微环境构建,显著了促进多种细胞(神经细胞、肝脏细胞、骨髓间充质干细胞等)和组织(肝脏、外周神经)的活性和功能表达,其有望广泛应用于体外细胞的巨量培养、类组织体构建以及体内细胞和组织的诱导生长等。该研究为ECM全仿真生物电子材料和器件的构建提供了一种可行的方法,并首次揭示了内生压电电子对神经、肝脏、骨髓间充质干细胞等功能细胞活性和功能表达的显性调控作用。相关成果以题为“Cell activity modulation and its specific function maintenance by bioinspired electromechanical nanogenerator”发表在国际顶级综合类期刊(Top 3)《Science Advances》上。

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图1:单分散压电纤维的制备与表征。(A)高离散压电Fe3O4/PAN纤维的制备示意图。(B) GO/PEDOT/Fe3O4/PAN纤维制备示意图。及其SEM图像(C-E)。(D)插图显示孔径分布和孔隙度。(E)纤维的直径分布范围。(F)压电纤维与活细胞耦合的有限元分析模拟,当受10 nN切向力拉伸时,最大电压为141 mV。(G)压电电势与细胞切向力关系。(H)由纤维和细胞膜组成的简化电阻-电容电路。(I)纤维的PFM相位和振幅图像。(J)相电势滞后和蝴蝶振幅环。(K)在微小力(1 N、0.7 Hz)作用下的电压输出。

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图2:RGC5神经元在生物纳米发电机中的生长发育。(A) 细胞增殖。(B) 细胞凋亡。(C) 神经突生长。(D,E)激光共聚焦照片。(F)纤维内生压电电子诱导膜电位和/或膜受体,调控Ca2+通道过程示意图。(G) 钙离子内流。

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图3:原代肝细胞的生长和功能维持。(A)肝细胞生长运动过程示意图和光镜图。(B)肝细胞聚集SEM图像。(C)肝细胞聚集的大小和数量。(D ~ F)培养15 D后的细胞形态和纤维与细胞的相互作用。(G)细胞间连接。(H)上皮钙粘蛋白。(I) 细胞存活率。(J,M)肝功能合成。(L,M)肝细胞代谢功能。

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图4:体内促进肝脏修复。(A)手术图像。(B) H&E染色。(C)肝纤维蛋白染色。(D) H&E染色阳性面积的平均百分比。(E)肝纤维蛋白免疫荧光标记定量数据。(F)免疫染色Alb(红色)。(G) Alb免疫染色检测表达水平。(H)肝脏再生分区。(I,J) GS和E-CAD免疫染色。(K) GS和E-CAD定量数据。


标签:化工应用技术中心今日头条生物化学生物制药
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