《ACS Omega》：Stimuli-Responsive Piezoelectric Scaffold as an Advanced In Vitro Platform to Drive Neural Tissue Regeneration
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研究人员开发具有生理相关性的体外人类中枢神经系统(Central Nervous System, CNS)模型仍是神经科学与转化研究的重大挑战。传统二维(2D)培养及动物模型往往无法捕捉神经组织的结构、生化及功能复杂性，限制了其在疾病建模与治疗测试中的预测价值
研究人员开发具有生理相关性的体外人类中枢神经系统(Central Nervous System, CNS)模型仍是神经科学与转化研究的重大挑战。传统二维(2D)培养及动物模型往往无法捕捉神经组织的结构、生化及功能复杂性，限制了其在疾病建模与治疗测试中的预测价值。本研究提出以刺激响应性压电支架(stimuli?responsive piezoelectric scaffolds)作为神经系统的先进体外平台。该支架由蛋清蛋白(egg?white proteins, EWP)与压电陶瓷颗粒——钛酸钡(barium titanate, BaTiO3, BTO)组成，兼具CNS细胞外基质(extracellular matrix, ECM)的力学与结构特征，并可通过机械刺激产生自主电信号。物理化学表征显示其具有可调孔隙率、力学强度及可控降解性；采用SH?SY5Y神经细胞进行的生物学评价表明细胞存活率高、增殖与分化良好。初步评估提示，通过远程施加使压电颗粒变形的超声(ultrasound)，支架极化可能在实现局部生物电调控中发挥作用。该支架整合了结构与电学响应性，可作为研究CNS体外模型中细胞?细胞及细胞?基质相互作用、机械转导(mechanotransduction)与生物电现象的多功能平台，有望为疾病建模与神经工程应用提供可扩展且具有生理相关性的工具。
本文报道了发表于《ACS Omega》的一项研究，针对目前人类中枢神经系统(CNS)体外模型难以复现原生微环境中电?机械耦合信号、传统2D培养和动物模型预测价值有限的问题，研究人员将天然源蛋清蛋白(Egg?White Proteins, EWP)与压电陶瓷颗粒钛酸钡(BaTiO3, BTO)及羟基磷灰石(Hydroxyapatite, HA)复合，经微波辅助发泡烧结制备出三维压电多孔支架，通过系统的理化、力学、降解及细胞实验验证其可作为具备自发电信号的仿ECM神经支架平台，对构建生理相关性CNS体外模型及神经组织再生研究具有重要意义。
主要关键技术方法：
研究人员以EWP为基体，掺入合成HA粉体与商用BTO纳米颗粒(BTO平均粒径≈700 nm，四方相)，按不同质量比(EWP:HA:BTO = 6:3:1.5等)混合后注入硅胶模具，经微波炉辅助加热(2 min/700 W或4 min/450 W)引发二次发泡并去除水分制得圆形多孔支架。采用衰减全反射?傅里叶变换红外光谱(ATR?FTIR)分析化学基团；扫描电镜(SEM)结合能谱(EDX)及显微CT(micro?CT)染色磷钨酸(Phosphotungstic Acid, PTA)进行孔隙形貌与三维孔隙率定量；动态力学分析(DMA)于PBS中37℃测定压缩杨氏模量；PBS浸提失重法评估35天降解行为；以SH?SY5Y神经细胞接种进行体外生物相容性与分化评价。
1. Introduction（引言）
现有hiPSC来源的3D类器官及普通支架模型缺乏仿生的生物电/压电信号或依赖外部电极刺激，无法模拟CNS内源性电?机械反馈。压电材料可在机械变形下产生局域电荷而无需外接电源，适合构建4D响应式体外模型。本文首次将天然ECM样EWP与BTO压电相复合引入CNS支架设计，旨在提供兼具仿生结构和自发电信号的神经微环境。
2. Experimental Section（实验部分）
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2.1. Piezoelectric Scaffolds Synthesis（压电支架合成）
EWP打泡后均匀混入HA与BTO粉末，浇模后经微波处理使EWP变性固化并二次发泡，获得直径5.0 mm或10 mm、高1.5 mm的复合支架，配比涵盖EWP:HA:BTO为6:3:1.5、6:3:0.3、1:1:0.1、1:1:0.5及2:1:1。
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2.2. FTIR Analysis（傅里叶变换红外光谱分析）
液态EWP经相同微波处理成固体后与原料粉末及复合支架一并采集4000–400 cm–1ATR?FTIR谱图，确认EWP变性及组分间特征官能团存在。
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2.3. Scaffold Porosity Evaluation（支架孔隙率评估）
SEM观察断面孔隙形态，EDX证实BTO与HA元素分布；micro?CT经PTA染色后扫描重建三维模型，定量计算总孔隙率、孔径及分布(n=3)。
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2.4. Dynamic Mechanical Analysis（动态力学分析）
支架于37℃ PBS中平衡过夜，DMA压缩模式下以预载接触后分段力控加载，取0–10%应变段的应力?应变曲线斜率计算压缩杨氏模量(n=4)。
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2.5. Degradation Test（降解测试）
干支架浸于37℃ PBS，定期取出吸除表面液称重，每2日换液，按初始与终末质量差计算降解百分比(n≥3)。
结果与结论讨论总结：
FTIR证实EWP经微波发生变性并与无机相共存而无新化学键形成；SEM与micro?CT显示EWP:HA:BTO 6:3:1.5配方具互连大孔结构，总孔隙率可达约80%以上，孔径呈多尺度分布；DMA测得湿态压缩杨氏模量与软脑膜/脑ECM接近，随BTO含量增加略有提升；降解测试显示支架在PBS中35天内缓慢、可控质量损失，未见骤崩解。细胞实验表明SH?SY5Y在支架上黏附良好、高活力增殖并向神经元样形态分化，初步提示压电极化与超声诱导变形可产生局域生物电调控效应。研究表明，EWP/BTO/HA压电复合支架成功整合仿ECM结构特征与压电自发电功能，能在无外接电极条件下提供动态电?机械微环境，可作为研究CNS细胞?基质互作、机械转导及生物电现象的先进体外模型平台，为神经退行性疾病建模、药物筛选及神经组织再生支架设计提供了新思路。论文结论为：此类刺激响应性压电支架通过将天然ECM样蛋白基质与压电活性BTO颗粒相结合，实现了结构仿生与自主电信号的统一，有潜力发展成为可扩展、生理相关的CNS体外研究工具。
