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由神经元构成网络并组织成神经系统是人体内最复杂的组织形式,实现神经损伤修复达到网络重建以及体外模拟构建神经网络,是神经组织工程和神经芯片研究领域的发展目标。神经芯片是一种利用微电极阵列实现神经细胞与电子器件信息传导的生物芯片,是人工神经代偿器件的接口。它通过把活的神经元和硅电路有机地连接在一起,实现对细胞无损伤、长时程记录并可施加人为刺激。制成芯片的重要关键问题在于如何使神经细胞在芯片上按照电极点的位置黏附生长,建立起通讯联系并提高芯片材料的信噪比,而利用微加工工艺有望达到这一目的,其中微接触印刷技术及微流体技术应用最为广泛,做法是用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)为印章,以生物大分子或有机聚合物为“墨水”,把主模板上的精细图案转印到基底材料上,实现对材料表面黏附底物改性和结构微加工。本研究应用这两种软刻工艺,对材料表面进行几何图案修饰微加工后,进行皮质及纹状体神经元的原代培养；运用免疫组织化学荧光染色技术、原子力显微镜等手段,观察了神经细胞在不同黏附底物上图案化生长的程度。结果表明:
1.微接触印刷及微流体技术两种软刻工艺均可以在体外成功构建神经网络模型；通过改进主模板的技术参数可提高微流体工艺微加工图案的效果。
2.在前期工作组实验基础上,采用微流体软刻技术微加工PEI和LN的混合液、LN、PEI和PLL四种不同底物并在其上图案化培养纹状体神经元,发现PEI+LN的混合物比LN、PLL及PEI更能增加神经元的黏附能力,更利于细胞的存活并促进突起的生长；从而验证了带强正电荷的PEI结合LN混和底物能够使细胞生长形成较清晰的图案；通过比较纹状体神经元在不同流道规格(50μm、100μm、200μm、300μm四种不同线间距)PEI+LN流道图案上的培养情况,证明PEI+LN混合物在优化流道图案(间距为150μm及200μ m)规格下能够有效地构建神经元流道图案:证明微加工工艺所形成细胞图案化的程度不仅与黏附底物特性有关,还与接种细胞的密度以及图案本身的规格密切相关。
3.采用静电自组装制备HA/COL双层薄膜界面材料,发现其与一般大分子或多肽物质相比与神经细胞具有更良好的生物相容性,能促进神经细胞粘附,突起生长。将静电自组装薄膜与微接触印刷相结合,转印带相反电荷的聚电解质,实现细胞图案化,探寻了改善神经元与界面材料的相容性的新途径。
4.初步尝试了在印刷图案化粘附物的MEA上培养纹状体神经元,为今后MEA上神经网络的构建、记录电信号奠定了良好的基础。
通过上述结果,本研究在前期工作的基础上,完善了微流体印刷技术。通过软刻技术微加工生物大分子物质及其混和物培养神经元图案式黏附、生长,初步探索了微加工技术在微电极阵列上的应用,并为制备神经芯片打好基础；利用静电自组装制备的HA/COL双层薄膜界面材料结合微接触印刷,转印带相反电荷的聚电解质,探索改善神经元与界面材料的相容性的方法,开拓了这一技术更为广阔的平台。有望为神经科学的多元化发展,特别是今后用于神经芯片的研发以及治疗各种中枢神经系统损伤提供新的思路。