清华大学 电子系盛兴课题组合作开发出三维光电生物活性支架
2024/04/15
383开发新型的神经调控技术，对单个神经元或者特定神经网络的活动进行实时、精确地激活和/或抑制，对于深入理解大脑的运行机理、开发神经疾病治疗手段等都具有重要的意义。生物支架在组织修复、疾病治疗等生物医学工程技术中扮演着极其重要的角色。
传统的生物支架主要起着力学支撑的作用，生物功能较为单一，为了提高其生物活性，往往需要添加生长因子、药物等生物化学物质。然而，生物化学物质在体内的释放过程中面临着可控性差，时空分辨率低以及时效性短等问题。相比较而言，基于光电信号等物理场的生物调控方式具有可控性好、时空分辨率高、作用周期长等优点，使其在生物调控等领域有着广阔的应用前景。
图1. 三维光电生物支架示意图
近日，清华大学电子工程系盛兴副教授课题组与合作者开发了一种具备光电功能的新型生物活性支架，研究者将薄膜单晶硅器件与有机生物材料集成，结合微纳加工技术，制备了具有多层级结构、仿天然骨组织的三维光电生物支架。在光照情况下，薄膜单晶硅器件可产生电信号，能够刺激并调控骨髓干细胞的活动，并进一步促进动物缺损颅骨组织的修复与再生。与传统电刺激方式相比，这种无线的光电刺激方式可以减少导线连接对周围组织造成损伤。此外，包含薄膜硅的支架结构可以在生物体内安全降解，具备良好的生物相容性，能够避免二次手术，降低感染的风险。这种可生物降解、无线远程供能、具备光电活性的新型生物支架，为组织工程研究和临床应用开辟了新思路。
图2. 三维仿生光电生物支架及其生物可降解特性
研究团队将薄膜硅器件与骨髓干细胞、生物组织等结合，构建了光电生物界面，在不需要引入光遗传学等基因编码工具条件下，借助光照时硅与细胞界面处产生的极化光生电场，实现了对骨髓干细胞膜电位、胞内钙离子活动、增殖分化等生理活动的有效调控。
图3. 薄膜硅器件的光电响应及其对干细胞膜电位和钙离子浓度的光电调控作用
进一步，研究人员将薄膜单晶硅器件与羟基磷灰石等生物材料集成，制备了仿天然骨组织的三维生物支架，利用薄膜硅赋予支架光电活性，使其具备光电响应功能。在活体动物实验中，三维光电生物支架被植入大鼠颅骨缺损部位，利用支架的光电刺激作用，有效地促进了颅骨组织的修复与再生，完成了光电生物支架系统在生物医疗领域的验证与应用。
图4. 光电生物支架促进大鼠颅骨修复
该研究成果以“三维仿生光电生物支架促进颅骨修复”（A 3D Biomimetic Optoelectronic Scaffold Repairs Cranial Defects）为题发表于《科学·进展》（Science Advances）。
文章的共同通讯作者为清华大学电子工程系、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院盛兴副教授和北京大学口腔医学院副主任医师王宇光，第一作者为清华大学电子工程系博士生王华春，合作者来自北京协和医院，北京大学口腔医院，积水潭医院，清华大学电子工程系、材料学院、生命科学学院等单位。该研究获得国家自然科学基金、北京市自然科学基金、清华大学自主科研计划、清华大学电子系自主科研项目、清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室等项目的支持。
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