中科院纳米能源所李琳琳课题组《Adv. Mater.》：压电材料介导/细胞牵引力触发的按需电刺激用于促进干细胞神经元样分化

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细胞外基质和细胞微环境是调节细胞增殖、分化、功能等的关键因素。近年来的研究发现，细胞和细胞外基质之间存在着双向的相互作用。也就是说，细胞不仅被动地响应细胞外基质传递给它们的生化和生物物理信号，如电信号；反过来，也能主动改变周围的环境以满足其需要，包括因子的分泌及基质的沉积、降解和重组等。其中，细胞外基质对细胞的影响已得到广泛研究，包括基质的硬度对细胞粘附和行为的调节等（Adv. Funct. Mater. 2021, 2010626）。然而，细胞与基底之间的动态相互作用方面的研究还非常少。此外，这种动态过程如何指导细胞的行为仍未被探索挖掘。在前期研究中，李琳琳课题组利用电活性的生物材料，包括导电性材料和压电性材料的电信号作用于干细胞，成功促进了干细胞的分化（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1900372；Appl. Mater. Today, 2018, 10, 164-172；Adv. Biosyst. 2017, 1, 1600042；ACS Nano 2016, 10, 5086），并发表了电活性生物材料和系统调控干细胞命运与组织再生的综述文章（Adv. Mater. 2021, 2007429）。

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所李琳琳研究员课题组与王中林院士课题组合作，设计并制备了一种力学性质类似于胶原蛋白的压电纳米纤维，基于干细胞与纤维之间的动态机械相互作用，直接借助细胞迁移力引起压电纤维的机械形变并产生压电电信号反作用于细胞，实现了按需电刺激，促进干细胞的神经元样分化。

图1 细胞与仿生细胞外基质之间的动态机械相互作用。

成熟的粘着斑是细胞-细胞外基质双向机械感知的必要条件之一。在形成成熟黏着斑之前，细胞活动不足以引起压电纤维变形；成熟的黏着斑形成之后，细胞内的生物物理信号可以通过整合素介导的力转导机制传递到外部，引起纤维形变（图1）。

图2 压电PVDF静电纺丝纤维的形貌、力学性能和压电性能。

通过静电纺丝技术制备了有序和无序两种形貌的聚偏二氟乙烯（PVDF）压电纳米纤维支架，并通过退火处理来提高其压电性。其中单根PVDF纳米纤维的杨氏模量约为1.12 GPa，与天然压电胶原纤维的相近(0.5-10 GPa)。制备的有序（a-PVDF）和无序（r-PVDF）纤维的压电系数d₃₃分别为24和13 pC N^-1（图2）。通过对分化后细胞的免疫荧光染色和细胞形态观察，发现压电PVDF支架可以特异性地增强rBMSCs的神经元样分化，而且a-PVDF的效果更明显（图3）。

图3 PVDF压电纤维促进干细胞的神经元样分化。

跨膜钙离子通道的激活和细胞内钙瞬变在调节干细胞命运中起着重要作用。对细胞进行实时钙离子浓度监测，发现退火后的a-PVDF上46.2%的细胞表现出明显的瞬时钙活动，比未退火的a-PVDF和培养板上的细胞分别高3.82倍和8.56倍（图4）。细胞牵引力通常在nN范围内(0.1–10 nN)。根据纳米纤维的杨氏模量和压电系数计算，细胞牵引引起的压电势为0.73-133 mV。因此，细胞钙离子活动的差异主要归因于PVDF在细胞牵引下产生的不同压电势。

图4 PVDF压电纤维的力-电转化以及对钙活动的影响。

总的来说，这项工作开发了一种能与细胞动态相互作用的智能压电纤维支架，利用细胞-细胞微环境之间的动态相互作用和反馈，实现按需电刺激来调控干细胞的命运。值得注意的是，仅在细胞粘附和形成成熟的黏着斑后观察到由细胞牵引力引起的纳米纤维的明显变形和卷曲，这些结果有助于揭示细胞与细胞微环境之间的动态回路反馈。这种基于细胞牵引力诱导压电势的原位按需电刺激为智能组织工程支架的设计和未来的生物电子疗法提供了思路。

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近期，该研究成果以“Cell-Traction-Triggered On-Demand Electrical Stimulation for Neuron-Like Differentiation”为题发表在学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。文章的第一作者是中科院北京纳米能源与系统研究所的“博新计划”博士后刘志荣，通讯作者为李琳琳研究员和王中林院士。另外，中科院长春应化所的蔡明君副研究员参与了压电纤维力学性能检测方面的工作。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106317

实验室主页：

https://www.x-mol.com/groups/lilinlin

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