神经细胞与材料的界面反应及机理研究

论文摘要

神经元网络被认为是人体内最复杂的组织形式之一,实现神经网络损伤后的修复与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等领域的重要研究目标,其中,一个基础问题就是理解和控制神经元与材料的界面反应。本论文以化学腐蚀的硅基片,仿生制备的静电自组装多层薄膜,微接触印刷图案作为材料表面修饰设计的界面模型,进行皮层和海马神经元等原代细胞培养,并运用激光共聚焦扫描显微镜和原子力显微镜等材料科学表征手段,观察细胞和材料的界面反应变化,以此来研究材料的表面特征与神经细胞相互作用的规律和诱导形成神经元网络的机理。上述神经细胞在模型界面上的培养结果表明,神经细胞和这些优化设计的模型界面都能够达到良好的相容性和亲和性,其中,神经元在纳米粗糙度的硅基片（Ra=20-70nm）和透明质酸基的多层薄膜上都可以粘附生长,并且能够形成成熟致密的神经元网络结构。通过原子力显微镜对神经细胞与硅的界面结构研究发现,这个界面是由分级结构组装而成,神经细胞通过改变自身周围的微环境来提高存活率,促进生长发育。在多层薄膜的结构中发现薄膜层数和最外层组分对轴突的发育具有一定的影响,并且不同类型的神经细胞对多层薄膜的组分有不同的喜好倾向。使用微接触印刷的生物大分子图案可以实现图案化神经元网络的构建。通过比较不同基团和不同大分子“墨水”,发现在羟基化的玻璃片上印刷的PEI图案能够比较有效的控制神经元的粘附和突起的生长。在免疫组化的结果中,PEI图案上布满了密集排列的纤维样的神经元突起,原子力显微镜观察到这些纤维结构之间还存在相互的联系。进一步的观察中还看到了神经元胞体附近的突触结构,这是图案化网络中的神经元之间通过轴突和树突建立了相互联系的重要证据。此外,为了便于神经细胞和材料相互作用的研究,发展了一种使用电位敏感荧光探针,结合激光共聚焦扫描显微镜,测量神经细胞膜电位和电场分布的方法,可以实现细胞膜电位分布的三维重构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 神经细胞与神经系统
• 1.2.1 神经细胞
• 1.2.2 细胞外基质
• 1.2.3 神经系统损伤与再生
• 1.3 生物材料表面工程
• 1.3.1 生物材料的表面改性
• 1.3.2 静电自组装薄膜
• 1.3.3 微米级图案构建
• 1.3.4 纳米技术和工程
• 1.4 神经细胞和材料的相互作用
• 1.4.1 神经细胞培养和表征
• 1.4.2 细胞和材料的界面
• 1.4.3 材料诱导神经元网络
• 1.5 本论文研究的主要内容和意义
• 第2章 神经细胞跨膜电位快速评测
• 2.1 引言
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 试验方法
• 2.3 结果和讨论
• 2.3.1 脑干神经细胞培养在玻璃片上的结果
• 2.3.2 应用和相关的改进
• 2.3.3 神经细胞培养在硅片上的结果
• 2.4 小结
• 第3章 神经细胞与硅基片之间的界面反应及机理
• 3.1 引言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 材料和设备
• 3.2.2 硅基片准备
• 3.2.3 细胞培养
• 3.2.4 培养后硅片清洗
• 3.2.5 显微镜分析
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 海马神经元细胞培养
• 3.3.2 皮层神经元细胞培养
• 3.3.3 神经细胞和硅片的界面反应机理
• 3.4 小结
• 第4章 软刻技术构建图案化神经元网络
• 4.1 引言
• 4.2 材料和方法
• 4.2.1 原料
• 4.2.2 生物大分子图案化
• 4.2.3 图案化诱导神经网络
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 生物大分子图案
• 4.3.2 图案化诱导神经网络
• 4.4 小结
• 第5章 神经细胞与静电自组装薄膜的界面反应
• 5.1 引言
• 5.2 材料和方法
• 5.2.1 材料
• 5.2.2 透明质酸基静电自组装多层薄膜
• 5.2.3 PLGA 微球吸附模型
• 5.2.4 统计学分析
• 5.3 结果和讨论
• 5.3.1 透明质酸基静电自组装多层薄膜
• 5.3.2 PLGA 微球吸附模型
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 溶液配制
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果