仿生机电纳米发电机调节细胞活性

细胞外基质 (ECM) 包括三维 (3D) 网络和生物电，可以深刻影响细胞发育、迁移和功能表达。在现在发表在《科学进展》上的一份新报告中，李彤和化学、纳米技术、生物电子学和先进材料的研究团队开发了一种机电耦合生物纳米发电机，缩写为 bio-NG，其灵感来自细胞外基质的生物物理线索。该装置包含高度离散的压电纤维，可产生高达毫伏的压电电位，为活细胞提供原位电刺激。

bio-NGs 内独特的 3D 空间提供了一个类似 ECM 的环境来促进细胞生长。bio-NGs 有效地促进了细胞活力和发育，以维持其特定的功能表达。研究人员希望新的和先进的生物 NG 能够模拟细胞外基质的复杂性，并提供一个生理相关的体内生物系统。该装置有效地促进了细胞活力和发育，以保持其特定的功能表达。李等人。期待新的和高级版本的生物纳米发电机提供与生理相关的体内生物系统，以取代不准确的 2D 系统和动物模型。

细胞指南

在这项工作中，李等人。概述了无线电刺激细胞和组织以修复和维持细胞功能的实用策略。生物电是一种生物物理线索，可为胚胎发育和组织再生过程中的细胞生长和分化提供指导。内源性生物电存在于细胞质和细胞外空间，为科学家们提供了一种资源，可用于对可兴奋细胞进行电刺激，并为生物医学应用调节细胞活动。大多数治疗方法需要外部能量输入和电线连接，以通过植入的微器件施加外部电脉冲。纳米技术的最新发展使无电极和无电池治疗成为可能，其中包括使用纳米发电机进行大脑刺激、头发再生和伤口愈合。然而，它们中的大多数需要一种广为接受的解决方案来电刺激功能细胞。李等人。因此，受到细胞外基质中胶原纤维的生物学功能和微观结构的启发，形成由高度离散的压电电纺纤维组成的生物 NG，为细胞提供物理相关的微环境。生物-​​NG-细胞相互作用应用于体内环境以减少炎症、诱导肝细胞增殖、加速血管生成以及促进肝脏修复。

在实验过程中，研究小组将氧化铁磁性纳米粒子引入聚丙烯腈中，以制备高度离散的纤维，用作磁辅助静电纺丝装置。在静电，该设置能够形成具有良好互连孔和离散纤维的支架，用于无细胞迁移。为了准备一个更接近体内的微环境，该团队还将生物电作为生物物理线索。为了实现这一目标，科学家们开发了一种目标支架来促进细胞与纤维的相互作用和粘附。由支架组装的生物 NGs 的机电耦合促进了细胞之间信号的传输和通信，以模拟细胞外基质中胶原原纤维或纤维的生物电效应。该团队使用有限元分析模拟和研究了生物 NG 中细胞力产生的压电势。为了实现这一点，他们对细胞纤维接触施加了负载力，并首先测量了压电采用生物NGS内的单纤维的压电力显微镜。实验电压信号验证了生物 NG 的理论压电性。

表征生物 NG 并调节细胞活性

为了研究生物 NG 中纤维的信息，该团队使用了傅立叶变换红外(FTIR) 和X 射线衍射(XRD) 光谱。然后，他们使用差示扫描量热法(DSC) 热谱图研究了生物 NG 中压电纤维的热力学性质，并进行了循环伏安图测试生物NGs中压电纤维的电荷存储和传输特性的研究。然后，该团队通过首先形成圆柱形状并压缩支架来测试纤维的压缩回弹力和机械性能，以了解结构的出色回弹力。纤维的机械性能和弹性确保了生物 NGs 能够有效地保持足够大的孔径和稳定的 3D 生长微环境，用于细胞运动和生长。该团队还研究了 3D 空间中 NG 细胞与两种不同细胞系的相互作用，包括

视网膜神经节细胞 5 (RGC5)和原代肝细胞。这些细胞的膜中含有电压门控钙通道，而其他细胞是具有高代谢功能的运动细胞。该团队使用二维纳米发电机 (NG) 和非压电 3D 纤维研究了 3D 空间和电刺激对细胞的影响。数据显示了生物 NG 如何为进一步的实验提供生物友好的细胞培养微环境。

用生物 NGs 促进体内肝脏修复

然后，科学家们将生物 NG 植入与肝细胞再生相关的肝损伤区域，以反映其实用性。为此，他们使用Sprague-Dawley 大鼠诱导肝损伤。在植入生物 NG 四个星期后，该团队移除了植入物并使用组织学染色研究了炎症. 他们注意到第一周有轻度炎症，第二周有所改善，第四周降至正常水平。所有其他器官都没有表现出变形或异常淋巴细胞侵袭，表明健康状况良好，没有系统性副作用。观察到的再生过程突出了在再生肝组织内形成的新血液循环系统，表明生物 NG 与细胞的相互作用可以减少炎症并促进组织修复。

bio-NGs在体内的长期稳定性和生物相容性

NG-细胞相互作用有效地促进了细胞活力并维持其在体外和体内的功能表达，为临床试验提供治疗策略。对于组织再生，将功能细胞直接移植到体内受损部位最为有效。对于其他研究，该团队将生物 NG 植入大鼠坐骨神经周围的腓肠肌区域，以检测生物 NG 在体内的稳定性。李等人。然后在八周后取出植入物并分析炎症，以显示 bio-NG 在生物环境中长时间具有良好的生物相容性，而没有任何全身性副作用。这些构建体有望作为体内再生修复的植入物。

外表

通过这种方式，Tong Li 及其同事开发了细胞外基质样机电耦合生物纳米发电机(bio-NGs)来调节细胞活性并维持其特定的功能表达。只要活细胞保持活动状态，该产品就会产生局部电压电位来刺激活细胞。独特的环境促进了生物 NG 中的细胞培养，以触发细胞质膜中存在的离子通道的打开以实现电刺激在单细胞水平。该过程为生物电子医学和针对细胞的局部电脉冲提供了巨大的潜力。新方法可以取代不准确的二维系统和耗时的动物模型，为加速组织再生和仿生电子医学提供仿生的生理微环境。

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