三维细胞构建体与硅纳米线复合生物界面实现亚细胞精度光电调控

为解决三维组织模型中生物电调控工具匮乏的问题，研究人员开发了植入硅纳米线(SiNWs)的电子支架(e-scaffold)，通过光控实现亚细胞精度的无导线细胞内电刺激。该研究证实了alginate/collagen复合支架能维持细胞活性，并首次在3D环境下揭示了心肌成纤维细胞(MFs)与心肌细胞(CMs)的异型电偶联现象，为心脏电生理研究和组织工程提供了创新工具。

　　

在生物医学研究中，三维组织模型因其更接近体内微环境的特点，正逐步取代传统二维培养体系。然而，现有生物电子器件难以实现对三维构造内部细胞的精准电调控——传统电极仅能达到单细胞分辨率，而光遗传学技术又受限于基因改造的伦理壁垒。这一技术瓶颈严重阻碍了心脏电生理、神经科学等领域对细胞间通讯机制的研究，特别是心肌成纤维细胞与心肌细胞的电偶联这一争议性问题。

为突破这一困境，研究人员开发了革命性的"电子支架"(e-scaffold)系统。该系统通过将游离硅纳米线(SiNWs)植入alginate/collagen复合支架，构建出支持三维细胞培养的光电生物界面。这些直径355.9±47.4 nm、长度5.2±3.5 μm的p-i-n型SiNWs在激光照射下可产生局部法拉第光电化学输出，实现亚细胞精度的无导线电刺激。

研究采用化学气相沉积(CVD)制备SiNWs，通过冻干技术构建多孔支架。关键实验技术包括：扫描电镜(SEM)表征支架形貌，光片显微镜三维成像分析细胞-SiNWs空间分布，共聚焦钙成像记录光电刺激响应，以及机械流变测试评估支架性能。使用新生大鼠原代细胞验证了平台在心脏研究中的适用性。

结果与讨论

1. 支架特性：SEM显示SiNWs均匀分布在支架孔壁，部分呈突起状便于细胞摄取。MVG/VLVG型alginate支架中分别有5.3%和2.7%细胞成功内化SiNWs，且细胞活性不受影响。

2. 光电调控验证：在NHDF细胞中，640 nm激光(10 ms脉冲)刺激引发局部钙瞬变(dF/F信号)，并通过间隙连接扩散至邻近细胞。3D环境下的钙波传播速度较2D延迟，反映了空间结构的差异。

3. 心脏细胞研究：免疫荧光证实SiNWs选择性内化于vimentin阳性的MFs而非心肌肌钙蛋白阳性的CMs。光刺激MFs可立即激活邻近CMs的动作电位(AP)，使搏动频率从0.74±0.043 Hz提升至0.98±0.036 Hz。值得注意的是，3D共培养中MFs的钙响应持续时间(约500 ms)显著短于2D环境(>10 s)，提示三维结构增强了CMs对钙离子的缓冲能力。

结论
该研究开创性地将光电材料与组织工程结合，解决了三维组织电调控的两大核心挑战：空间分辨率(达290 nm)和无创性。e-scaffold不仅证实了MFs-CMs在3D环境中的电偶联，更揭示了其与2D模型的本质差异——三维结构中更高效的钙离子再分配机制。这一平台为研究心肌纤维化、心律失常等病理过程提供了新工具，其模块化设计也适用于神经、肿瘤等其他领域。《Materials Today Bio》发表的这项成果，标志着生物电子学与组织工程交叉融合的重要里程碑。