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最近，像Neuralink这样的脑机接口公司经常出现在新闻中，因为它们有可能彻底改变人类与机器的互动方式，但电极并不是对大脑最友好的材料——它们又硬又硬，而大脑又软又湿，这限制了它们的功效，增加了损伤脑组织的风险。Wyss研究所开发的一种新型水凝胶电极解决了这一问题，它提供了一种可调谐的导电支架，使人类神经元和其他细胞类型感觉自在。
如今，脑机接口(bci)是一个热门话题，像Neuralink这样的公司竞相创造出通过微型植入电极将人类大脑与机器连接起来的设备。脑机接口的潜在好处包括改善对神经系统疾病患者大脑活动的监测，恢复盲人的视力，以及允许人类仅用我们的思维控制机器。但这些设备发展的主要障碍是电极本身——它们必须导电，所以几乎所有的电极都是由金属制成的。金属并不是对大脑最友好的材料，因为它们又硬又硬，不能复制脑细胞通常生长的物理环境。
现在，由哈佛大学Wyss研究所、哈佛大学John a . Paulson工程与应用科学学院(SEAS)和麻省理工学院开发的一种新型导电水凝胶支架解决了这个问题。该支架不仅模拟了柔软多孔的脑组织环境，还支持人类神经祖细胞(npc)在长达12周的时间内生长和分化成多种不同的脑细胞类型。该成果发表在《先进医疗材料》杂志上。
“这种导电的水凝胶基支架有很大的潜力。它不仅可以用于研究体外人类神经网络的形成，还可以创建可植入的生物混合bci，更无缝地与患者的脑组织结合，提高其性能并降低受伤风险，”第一作者Christina Tringides博士说，她是Wyss和SEAS的前研究生，现在是ETH Zürich的博士后研究员。
Tringides和她的团队在2021年创造了他们的第一个基于水凝胶的电极，他们希望制造更柔软的电极，可以“流动”到大脑的自然曲线、角落和缝隙中。虽然研究小组证明了他们的电极与脑组织高度兼容，但他们知道与活细胞最兼容的物质是其他细胞。他们决定尝试将活的脑细胞整合到电极本身，这可能会使植入的电极通过更自然的细胞-细胞接触将电脉冲传输到患者的大脑。
为了使他们的导电水凝胶成为细胞生活的更舒适的地方，他们在制造过程中增加了一个冷冻干燥步骤。在冷冻干燥过程中形成的冰晶迫使水凝胶材料集中在晶体周围的空间中。当冰晶蒸发时，它们留下了被导电水凝胶包围的孔隙，形成了多孔支架。这种结构确保了细胞有足够的表面积来生长，并且导电成分会在水凝胶中形成一个连续的通道，向所有细胞传递脉冲。
研究人员改变了水凝胶的配方，以创造出要么是粘弹性的(像果冻一样)，要么是弹性的(像橡皮筋一样)，软的或硬的支架。然后，他们在这些支架上培养人类神经祖细胞(npc)，以观察哪种物理特性的组合最能支持神经细胞的生长和发育。
在粘弹性较软的凝胶上生长的细胞在支架上形成晶格状结构网络，并在五周后分化为多种其他细胞类型。相比之下，在弹性凝胶上培养的细胞形成了主要由未分化的npc组成的团块。研究小组还改变了水凝胶材料中导电材料的数量，以观察其如何影响神经生长和发育。支架的导电性越强，细胞就越容易形成分支网络(就像在体内一样)，而不是成团。
然后，研究人员分析了在水凝胶支架中发育的不同类型的细胞。他们发现，在物理上和代谢上支持神经元的星形胶质细胞，在粘弹性凝胶上生长时形成了其特有的长投影，而在粘弹性凝胶中含有更多导电材料时，星形胶质细胞的数量明显更多。少突胶质细胞也存在于支架中，它产生髓鞘，隔离神经元的轴突。粘弹性凝胶上的髓鞘总量大于弹性凝胶，髓鞘鞘段较长，且凝胶中导电物质含量越高，髓鞘厚度越厚。
最后，研究小组通过水凝胶支架内的导电材料对活的人体细胞进行电刺激，以观察这是如何影响细胞生长的。这些细胞每天或每隔一天用电脉冲15分钟。8天后，每天被脉冲的支架上只有很少的活细胞，而每隔一天被脉冲的支架上充满了活细胞。
在这个刺激期之后，细胞被留在支架中总共51天。每天被刺激的支架中剩下的少数细胞没有分化成其他类型的细胞，而每隔一天被刺激的支架有高度分化的神经元和长突起的星形胶质细胞。测试的电脉冲变化似乎对凝胶中髓鞘的数量没有影响。
“在我们的支架中，人类npc成功分化为多种类型的脑细胞，这证实了导电水凝胶为它们提供了合适的体外生长环境，”Wyss研究所的核心教员、资深作者Dave Mooney博士说。“看到神经元轴突上的髓鞘形成尤其令人兴奋，因为这一直是在大脑活体模型中复制的挑战。”
Tringides正在继续研究导电水凝胶支架，并计划进一步研究不同类型的电刺激如何影响不同类型的细胞，并开发更全面的体外模型。她希望这项技术有一天能够创造出帮助患有神经和生理问题的人类患者恢复功能的设备。
“这项工作代表了一项重大进步，它创造了一个具有正确物理、化学和电特性的体外微环境，以支持人类脑细胞的生长和专业化。除了开辟一种全新的方法来创造更有效的电极和与神经元组织无缝集成的脑机接口外，该模型可能被用于加速寻找神经疾病的有效治疗方法。我们很高兴看到这种材料科学、生物力学和组织工程的创新融合在未来的发展方向，”Wyss研究所的创始主任Don Ingber博士说。
Journal Reference:
Christina M. Tringides, Marjolaine Boulingre, Andrew Khalil, Tenzin Lungjangwa, Rudolf Jaenisch, David J. Mooney. Tunable Conductive Hydrogel Scaffolds for Neural Cell Differentiation. Advanced Healthcare Materials, 2022; 2202221 DOI: 10.1002/adhm.202202221
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