这篇论文的研究由荷兰代尔夫特理工大学的安杰洛·阿卡多教授及其团队完成，研究成果发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。研究的核心内容是探讨有效剪切模量对神经元网络方向性和生长锥形态的影响，采用激光辅助三维打印的纳米结构阵列进行实验。神经元对其周围的机械微环境极为敏感，生长锥是神经元轴突生长的专门结构，负责探测细胞外基质并与其他细胞建立连接。以往的研究主要集中在二维平面上，缺乏对三维生物环境的深入探讨。为了更好地模拟生物体内的环境，研究团队采用了双光子聚合（2PP）技术，制造出具有可调有效剪切模量的纳米柱阵列。这些纳米柱的几何形状和机械特性能够影响神经元的行为和功能。
研究团队首先设计并制造了直径为500纳米、间距为1微米的纳米柱阵列。通过改变纳米柱的高度，研究人员能够调节有效剪切模量，从而探讨其对神经元生长和网络方向性的影响。实验中使用了多种神经细胞系，包括来源于人类诱导多能干细胞（iPSCs）的神经前体细胞（NPCs）、I3神经元和原代海马神经元。在细胞培养过程中，研究人员观察到不同类型的神经细胞在纳米柱阵列上的生长表现出明显的方向性，尤其是在纳米柱高度超过1微米时，神经元的神经突起沿着纳米柱的方向生长，形成有序的网络结构。此外，研究还发现，纳米柱的几何形状和有效剪切模量对神经前体细胞的分化和成熟有显著影响，成熟神经元标志物Synapsin I的表达水平在纳米柱阵列上显著高于平坦控制组。
在研究过程中，团队面临了一些挑战。首先，如何精确控制纳米柱的高度和间距，以确保能够有效调节剪切模量，是一个技术难点。其次，细胞在三维环境中的行为与在二维平面上的行为存在显著差异，如何准确评估细胞的生长和分化状态也是一项挑战。此外，研究团队还需要克服在高分辨率成像中可能出现的背景噪声问题，以确保能够清晰观察到生长锥的形态变化。为了克服这些挑战，研究团队使用了Nanoscribe的设备Photonic Professional GT+进行激光辅助三维打印，这种设备能够实现高精度的纳米结构制造，确保了实验的可重复性和可靠性。
这项研究为神经生物学和组织工程领域提供了新的思路和方法。通过调节纳米结构的机械和拓扑特性，研究人员能够更好地理解神经元在不同环境下的行为。这种生物相容的三维纳米结构不仅可以用于基础研究，还可以为未来的神经再生和修复提供潜在的应用。未来，研究团队计划进一步探索不同剪切模量和纳米结构设计对神经元网络发展的影响，尤其是在神经退行性疾病模型中的应用。此外，结合超分辨率显微镜技术，研究人员希望能够更深入地观察神经元生长锥的细微结构变化，从而揭示其在神经发育和再生中的机制。
总之，这项研究不仅为理解神经元的生长和分化提供了新的视角，也为开发更有效的神经再生策略奠定了基础。随着技术的不断进步，未来在神经生物学领域的应用前景将更加广阔。研究结果表明，纳米柱阵列的设计和制造能够显著影响神经元的生长模式和网络形成，尤其是在有效剪切模量的调节下，神经元的方向性和生长锥的形态发生了显著变化。这些发现为未来的神经组织工程和再生医学提供了重要的实验基础和理论支持。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202409451
