大面积二维电子材料的神经干细胞生物相容性及其在神经界面应用中的潜力

《Cell Reports Physical Science》：Biocompatibility of large-area two-dimensional electronic materials with neural stem cells

本综述系统评估了大面积CVD生长的石墨烯、MoS2、PtSe2和PtTe2等二维电子材料与小鼠神经干细胞（mNSC）的相容性。研究表明，所有材料均支持细胞存活与分化，其中片状MoS2显著促进神经元成熟，而PtSe2则倾向诱导胶质细胞分化。该工作为构建具有可调生物相容性的下一代柔性生物电子界面提供了重要的材料工具箱。

　　

引言

用于长期原位测量的生物电子材料需具备机械柔性、低细胞毒性及稳定的电生理记录能力。传统金属材料（如铂、金）存在机械刚性高、长期使用细胞毒性增加及信噪比（SNR）下降等问题。二维（2D）电子材料因其优异的机械柔性、可调的电子/热/电磁波传导特性成为新兴候选材料。然而，材料的物理性能与生物相容性常存在权衡。本研究旨在系统比较大面积CVD生长的石墨烯、二硫化钼（MoS₂）、二硒化铂（PtSe₂）、二碲化铂（PtTe₂）及片状MoS₂对小鼠神经干细胞（mNSC）存活与分化的影响。

二维材料的生长与表征

通过化学气相沉积（CVD）技术在玻璃基底上制备了高质量、电子级的大面积二维材料。拉曼光谱确认了各材料的特征峰：石墨烯的D峰（~1300 cm^?1）和G峰（~1580 cm^?1）；PtSe₂的E_g模（175 cm^?1）和A_1g模（205 cm^?1）；PtTe₂的E_g模（~110 cm^?1）和A_1g模（~157 cm^?1）；MoS₂的E¹_2g模（~383 cm^?1）和A_1g模（408 cm^?1）。原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）显示片状MoS₂形成异质微米级片层结构，而CVD生长的薄膜更连续平整。水接触角（WCA）测量表明，除石墨烯外，多数材料在细胞培养后疏水性增强，可能与血清蛋白吸附有关。

NSC生物相容性

通过ApoLive-Glo法和活/死染色评估mNSC在二维材料上培养48小时的存活率。所有材料均支持细胞存活，其活细胞/凋亡细胞比值与层粘连蛋白包被的玻璃对照组无显著差异。活/死染色图像显示，细胞在多数基底上形成单层，但在MoS₂和PtTe₂上呈现簇状聚集；片状MoS₂和PtSe₂的细胞铺展较好，而金基底上的细胞铺展较少。

分化潜能评估

在分化培养基中培养5天后，通过免疫荧光染色分析细胞命运。βIII-微管蛋白（βIII-tubulin）表达表明所有材料均支持神经元分化。片状MoS₂显著提升成熟神经元标志物NeuN⁺细胞比例（达75%），显著高于PtTe₂、石墨烯、PtSe₂和玻璃对照组。相反，PtSe₂促进胶质细胞分化：少突胶质细胞前体标志物Olig2⁺细胞比例显著高于片状MoS₂和石墨烯；星形胶质细胞标志物GFAP⁺细胞比例也显著高于片状MoS₂。CVD生长的MoS₂在神经元与胶质分化间未表现显著倾向性。增殖标志物Ki-67染色显示，片状MoS₂上的细胞增殖活性最高，但所有组中增殖细胞比例均低于12%，表明细胞普遍退出细胞周期进入分化。

讨论

本研究首次系统比较了大面积CVD生长的二维电子材料对神经干细胞命运的调控作用。片状MoS₂因表面粗糙度较高、边缘结构丰富，可能增强黏附蛋白聚集，从而促进神经元成熟；而PtSe₂的化学特性可能偏好胶质细胞谱系定向。材料形态（片状 vs. CVD连续薄膜）对细胞行为的影响甚至超过化学组成本身。二维材料的平滑表面、可调电子特性及柔性使其成为神经接口的理想候选，未来可通过调控材料厚度、表面修饰等参数进一步优化生物相容性与电生理功能。

方法

材料通过CVD或热辅助转化法生长于玻璃基底，并经拉曼、AFM/SEM表征。细胞实验使用小鼠胚胎脊髓来源的神经干细胞（mNSC），培养于多聚鸟氨酸（PLO）/层粘连蛋白包被的二维材料基底上，通过免疫染色（βIII-tubulin、NeuN、Olig2、GFAP）及图像分析（CellProfiler）量化分化结果。统计学分析采用单因素方差分析（ANOVA）与Tukey事后检验。