一种神经细胞相容性的电活性水凝胶界面，用于生理温度下的可逆刚度调节

《Journal of Colloid and Interface Science》：A neural cell-compatible electroactive hydrogel Interface for reversible stiffness modulation at physiological temperatures

　　

神经组织的力学特性本质上是动态的，并在发育、疾病进展和损伤响应过程中调控细胞行为中发挥关键作用。然而，常见的体外模型通常无法复制这些时空力学变化，这限制了其生理相关性，尤其是在复杂中枢神经系统病理（如脑肿瘤、胶质瘢痕和创伤性脑损伤）的研究中。为解决这一限制，研究人员开发了一种新型机械生物学芯片平台，该平台整合了一种由聚（N-异丙基丙烯酰胺）（pNIPAM）和聚吡咯（PPy；pNIPAM-PPy）组成的可逆刚度水凝胶。基于先前工作，研究人员将该水凝胶设计为在其体积相变温度（VPTT）下驱动，在此温度下刚度变化最为显著且可逆。VPTT被调节至反映生理相关的微环境37^°C。全面的材料表征确认了其稳健的热响应性，并揭示了支撑pNIPAM-PPy驱动的关键机制。电化学阻抗谱表明，离子迁移率是VPTT相关驱动的主要贡献因素。在37^°C下，该水凝胶表现出明显的还原/氧化依赖的刚度变化，还原态杨氏模量为2.4±1.3 kPa，氧化态为3.7±1.4 kPa。研究人员进一步利用该机械生物学芯片平台在pNIPAM-PPy基底上培养并电刺激人神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞，其中电扰动同时调节PPy的电化学状态和耦合的水凝胶力学状态。在电化学氧化条件下，细胞代谢活性增加至未刺激对照（100.0±8.7%）的147.5±5.5%，而在电化学还原条件下，降低至60.7±14.2%。这些发现表明SH-SY5Y细胞响应强烈依赖于电化学状态和耦合的材料变化。特别是，氧化条件下观察到的代谢活性升高可能反映了较硬基底对培养的神经母细胞瘤细胞产生的促存活效应。总体而言，该双功能系统能够在细胞培养过程中按需可逆地调节电活性水凝胶的力学性能，为研究动态微环境中的神经细胞行为提供了一种多功能工具。

**论文解读：生理温度下可逆刚度调节的神经细胞相容性电活性水凝胶界面**

**研究背景与问题**

软组织的力学特性具有时空动态性，在发育、疾病进展和损伤修复中调控细胞行为。然而，传统体外模型通常采用静态支架，无法复制细胞外基质（ECM）的持续重塑和刚度变化，这限制了其对中枢神经系统病理（如脑肿瘤、胶质瘢痕和创伤性脑损伤）研究的生理相关性。现有动态材料如DNA交联水凝胶、磁响应水凝胶等虽能实现机械调控，但主要通过可溶性交联化学、寡核苷酸交换或外部磁场驱动，缺乏电化学控制方式。而脑组织同时具备电活动和软、异质、时空变化的力学特性，因此需要一种能同时提供电刺激和可逆刚度调节的平台，特别是在生理温度（37°C）下，在脑组织相关的刚度范围（kPa级）内工作。

**研究目的与意义**

研究人员开发了一种基于聚（N-异丙基丙烯酰胺）（pNIPAM）和聚吡咯（PPy）的导电聚合物水凝胶（CPH），通过掺入丙烯酸（AAc）将体积相变温度（VPTT）调节至37°C，实现电化学驱动的可逆刚度调节，并构建了机械生物学芯片平台用于培养神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞。该平台首次在生理温度下将电化学输入与可逆力学驱动耦合，为研究神经细胞在动态电-力学微环境中的行为提供了一种多功能工具。论文发表在《Journal of Colloid and Interface Science》。

**主要技术方法（不超过250字）**

研究人员采用以下关键技术：1) 合成pNIPAM-co-AAc水凝胶，通过调控AAc浓度将VPTT从约32°C调节至37°C；2) 通过恒电位电聚合将PPy掺入水凝胶基质，得到导电聚合物水凝胶（CPH_AAc）；3) 使用原子力显微镜（AFM）和流变学测量水凝胶的杨氏模量（E）和复数模量（G*）；4) 利用循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和电压瞬态测量（VTM）表征电化学性能（如阴极电荷存储容量CSCc、电荷注入限制CIL）；5) 采用电化学-原子力显微镜（EC-AFM）在37°C下实时测量可逆体积和刚度驱动；6) 构建三电极机械生物学芯片，以RGD功能化的CPH_AAc为工作电极，培养人神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞（ATCC, CRL-2266），并施加氧化（-0.05 V）或还原（-0.65 V）电位刺激。

**研究结果**

**3.1 pNIPAM水凝胶体积相变调节至生理条件**
通过FTIR确认AAc成功掺入。在HEPES缓冲液中，随着AAc浓度增加，VPTT从32.5°C（pNIPAM）逐渐升至37.6°C（6.3 mM AAc）。选择97:1摩尔比（NIPAM:AAc）的水凝胶，其VPTT为36.6°C，最接近生理温度。

**3.2 软pNIPAM水凝胶的力学性能**
室温下，pNIPAM-co-AAc水凝胶的杨氏模量为0.22±0.04 kPa，明显低于pNIPAM（0.51±0.07 kPa）。流变学显示pNIPAM-co-AAc具有更高的损耗因子（tanδ=0.5），表明其更粘性，归因于AAc羧基引入的氢键和离子相互作用。

**3.3 软pNIPAM水凝胶的热响应性能**
在37°C时，pNIPAM-co-AAc水凝胶的杨氏模量为2.6±1.0 kPa，而pNIPAM达到80.3±41.1 kPa，表明AAc掺入使刚度变化发生在生理温度附近，避免了pNIPAM在37°C时的完全塌陷。流变学显示pNIPAM-co-AAc在37°C时tanδ=0.20，保持以弹性为主。

**3.4 软pNIPAM-PPy基水凝胶的电化学性能**
PPy掺入显著提高了电荷存储容量（CSCc约40 mC cm^-2）和电荷注入限制（CIL约2 mC cm^-2）。EIS显示CPH_AAc的有效电容（C_eff）为40.7±4.2 μF cm^-2，高于PPy涂层（24.7 μF cm^-2），表明水凝胶基质提供了更离子可及的界面。

**3.5 软pNIPAM-PPy基水凝胶的热响应电化学行为**
温度升高至VPTT以上时，CPH_pNIPAM的CSCc和CIL显著下降，而CPH_AAc在45°C时CSCc升至46.7±4.0 mC cm^-2，CIL升至3.0 mC cm^-2。EIS显示CPH_AAc在37°C和45°C下的C_eff（6.4和7.0 μF cm^-2）远高于CPH_pNIPAM（1.9和1.2 μF cm^-2），表明AAc羧基增强了离子传输。

**3.6 软pNIPAM-PPy基驱动器作为细胞培养平台**
EC-AFM在37°C下测量显示，CPH_AAc在还原态（-0.65 V）的杨氏模量为2.4±1.3 kPa，氧化态（-0.05 V）为3.7±1.4 kPa，可逆刚度差为1.3 kPa。在芯片上培养SH-SY5Y细胞24 h后，施加氧化电位（-0.05 V，60 s）使细胞代谢活性增至对照的147.5±5.5%，而还原电位（-0.65 V，60 s）导致代谢活性降至60.7±14.2%。这表明氧化刺激下的刚度增加可能促进神经母细胞瘤细胞的存活，而还原刺激伴随的高注入电荷（125.0 μC cm^-2）可能引起细胞电穿孔。

**总结与讨论**

研究结论：该工作建立了首个机械生物学芯片平台，通过将热响应性pNIPAM-co-AAc水凝胶与电活性PPy整合，实现了在生理温度下电化学驱动的可逆刚度调节。VPTT的门控耦合使pNIPAM的溶胀/去溶胀与PPy的氧化还原过程协同，离子迁移率和界面充放电是驱动机制的关键。在37°C下，杨氏模量在还原态2.4 kPa和氧化态3.7 kPa之间可逆切换，覆盖脑组织相关刚度范围。RGD功能化水凝胶支持SH-SY5Y细胞培养，电化学氧化刺激增加细胞代谢活性，而还原刺激降低活性。该平台的创新性在于将电化学控制与动态力学调节结合，为未来研究神经细胞、胶质细胞和脑肿瘤模型中电-力学线索的时序和组合效应提供了基础。