西北大学发现可模仿大脑组织特性的新型可打印生物材料

摘要：近日，西北大学工程研究小组对外发布消息称，其发现了一种可以模仿大脑组织特性的新型可打印生物材料。现在，研究小组正在开发一种能够使用再生医学治疗脑脊髓损伤或神经退行性疾病的平台

aau讯（编辑 许乐）据外媒报道，西北大学工程研究小组于近日对外发布消息称，其发现了一种可以模仿大脑组织特性的新型可打印生物材料。现在，研究小组正在开发一种能够使用再生医学治疗脑脊髓损伤或神经退行性疾病的平台。

据了解，该发现的关键因素是能够控制材料中分子的自组装过程的能力，使研究人员能够将系统的结构和功能从纳米尺度更改为可见特征的尺度。Samuel I Stupp的实验室于2018年在《科学》杂志上发表了一篇论文，该论文表明材料可以设计成具有高度动态的分子，这些分子被编程为可以长距离迁移并自我组织以形成更大的“超结构”纳米纤维束。

现在，由Stupp领导的研究小组证明，这些超结构可以促进神经元生长，这一重要发现可能对帕金森氏病和阿尔茨海默氏病等神经退行性疾病以及脊髓损伤的细胞移植策略产生影响。

作为这项研究的主要作者，西北航空公司Simpson Querrey研究所主任Stupp说：“这是我们能够将我们在2018年报告的分子改组现象用于再生医学的第一个例子。我们还可以使用新生物材料的结构来帮助发现疗法并了解病理学。”

这种新材料是通过将两种液体混合而产生的，这些液体由于化学反应中称为宿主-客体复合物的相互作用而迅速变硬，这种相互作用模仿了蛋白质之间的键锁相互作用，以及通过“行走分子”的长期迁移，这些相互作用集中在微米级区域的结果。敏捷分子覆盖的距离比其自身大数千倍，以便结合在一起形成大型的上层建筑。在微观尺度上，这种迁移导致结构发生了变化，看起来像未煮熟的拉面面条变成了绳状束。

这篇论文的第一作者，Stupp实验室的研究助理Tristan Clemons说：“聚合物水凝胶等医学上常用的生物材料不具有允许分子自组装并在这些组装件内四处移动的功能。”该小组的前研究员Alexandra Edelbrock表示，“这种现象是我们在此开发的系统所独有的。”

此外，当动态分子运动形成超结构时，大的孔开放，使细胞能够渗透并与可整合到生物材料中的生物活性信号相互作用。

有趣的是，3D打印的机械力破坏了上层结构中主体与客体之间的相互作用，并导致材料流动，但是由于相互作用可以通过自组装自动恢复，因此它可以快速固化为任何宏观形状。这也可以对具有不同层的结构进行3D打印，这些层包含不同类型的神经细胞，以便研究它们之间的相互作用。

该材料的上层结构和生物活性特性可能对组织再生产生巨大影响。神经元受到中枢神经系统中一种称为脑源性神经营养因子（BDNF）的蛋白质的刺激，该蛋白质通过促进突触连接并使神经元更具塑性来帮助神经元存活。对于患有神经退行性疾病和脊髓损伤的患者，BDNF可能是一种有价值的疗法，但是这些蛋白质在体内会迅速降解，并且生产成本昂贵。

新材料中的一个分子整合了这种蛋白的模拟物，该蛋白激活了称为Trkb的受体，该团队发现，当存在模拟信号时，神经元会主动穿透大孔并填充新的生物材料。这也可能创造一种环境，在这种环境中，来源患者的干细胞相分化的神经元在移植前会成熟。

现在，该团队已将概念证明应用于神经元，Stupp认为，他现在可以通过对材料应用不同的化学序列，来涉足再生医学的其他领域。生物材料中的简单化学变化将使它们能够为各种组织提供信号。

Stupp说：“在受伤或心脏病发作后，软骨和心脏组织很难再生，该平台可以使用患者的细胞在体外制备这些组织。然后，这些组织可以被移植以帮助恢复失去的功能。除了这些干预措施之外，这些材料还可以用于构建类器官以发现疗法，甚至可以直接植入组织中进行再生，因为它们是可生物降解的。”

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