《Materials Today Bio》：Graphdiyne-Ivy Fiber Neural Scaffold Promotes Stem Cell Directed Differentiation and Neuronal Maturation
编辑推荐：
为解决外周神经损伤修复中支架导电性与神经诱导性能不足的难题，本研究成功构建了兼具纤维取向性与优异导电性的石墨炔/聚己内酯（GDY/PCL）复合神经支架。该支架在体外显著促进神经干细胞（NSC）定向分化为成熟神经元，增强突触形成与功能成熟；在体内实验中有效促进轴突有序再生、髓鞘重建与血管新生，为神经修复材料设计提供了新策略。
外周神经损伤是临床常见的棘手问题，常导致患者感觉丧失、运动障碍甚至永久性残疾，严重影响生活质量。当前，自体神经移植是修复的“金标准”，但存在供体有限、二次损伤等弊端。于是，科学家们将目光投向了组织工程神经支架——一种能模拟天然神经结构和微环境的“人工神经”，为受损神经的再生铺路搭桥。然而，现有的支架材料普遍面临两大“卡脖子”难题：导电性不足，难以模拟神经组织内活跃的生物电微环境；引导能力有限，无法有效促进神经细胞的定向生长和功能成熟。就像是为迷途的神经细胞修建“高速公路”，不仅路要修得结实，还要有正确的“路牌”指引和“电力”驱动。在此背景下，一种新型的二维碳材料——石墨炔（Graphdiyne, GDY）走进了研究人员的视野。它拥有优异的导电性、良好的生物相容性和独特的π-π共轭结构，在肿瘤治疗、骨修复等领域已崭露头角。但它在神经再生，特别是精准调控神经干细胞“命运”方面，潜力几何，仍是一片待开垦的“处女地”。发表于《Materials Today Bio》的这项研究，便是对这一前沿领域的深入探索。
为了回答上述科学问题，研究团队主要运用了以下几种关键技术方法：首先，采用静电纺丝结合冷冻干燥策略，成功制备了石墨炔负载的取向聚己内酯（PCL）纤维复合支架（GDY-常春藤纤维神经支架）。其次，利用多种材料表征技术（如扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱、电化学工作站、万能材料试验机、热重分析仪）对支架的形貌、化学结构、导电性、机械性能和热稳定性进行了全面评估。接着，研究人员从新生大鼠海马组织中分离培养了神经干细胞（NSC），并通过细胞活力检测（CCK-8、Live/Dead染色）和免疫荧光染色（针对Tuj1、NF200、Map2、GFAP、SYP、PSD95、ChAT、GAD67等标志物）系统评价了支架的生物相容性及其对NSC增殖、分化、突触形成和神经递质表型的调控作用。进而，通过RNA测序和实时荧光定量PCR技术，深入解析了GDY支架调控NSC分化的分子机制。最后，在大鼠坐骨神经缺损模型中，通过组织学染色（苏木精-伊红染色）和免疫荧光分析，评估了支架在体内的神经修复效果、血管新生及髓鞘再生情况。
研究结果
2.1. 材料表征与生物相容性评估
通过扫描电子显微镜观察，GDY修饰后的取向PCL纤维支架（POGDY）表面均匀负载了GDY纳米片，有效避免了纳米颗粒聚集。傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱分析证实GDY成功负载。接触角测试表明，GDY的加入改善了支架的亲水性。细胞相容性实验（CCK-8和Live/Dead染色）显示，所有支架均具有良好的生物相容性，其中负载0.5% GDY的支架（GDY0.5，即POGDY）在培养第3天和第5天对NSC增殖的促进作用最为显著。
2.2. GDY-常春藤纤维支架的稳定性、力学性能与电学性能
热重分析表明，GDY的引入显著提高了支架的热稳定性。力学测试显示，POGDY支架同时具备较高的拉伸强度和断裂伸长率，展现出优异的机械性能。电化学阻抗测试和直接电导率测试结果一致表明，POGDY支架的阻抗最低，电导率最高，证实GDY有效增强了支架的导电性，为细胞创造了理想的电活性微环境。
2.3. GDY-常春藤纤维支架诱导NSC生长与分化分析
免疫荧光染色结果显示，与随机纤维（PR）和单纯取向纤维（PO）支架相比，POGDY支架能显著促进NSC向神经元分化。具体表现为：神经元标志物Tuj1、NF200和成熟神经元标志物Map2的阳性信号显著增强，神经元突起更长、分支更复杂，且沿支架取向方向明显排列。同时，星形胶质细胞标志物GFAP的表达被显著抑制，表明该支架在促进神经元分化的同时，有效抑制了胶质化。
2.4. GDY-常春藤纤维支架对NSC突触发生和神经递质表型分化的调控作用
进一步的功能成熟度评估显示，POGDY支架上的神经元表现出更强的突触形成能力，突触后标志物PSD95和突触前标志物SYP的表达量及共定位信号均显著增强。在神经递质表型方面，POGDY支架促进了胆碱能神经元（ChAT阳性）和γ-氨基丁酸能神经元（GAD67阳性）的分化，表明其不仅能促进神经元生成，还能支持功能性神经网络的构建。
2.5. GDY-常春藤支架调控NSC分化的机制研究
通过RNA测序和生物信息学分析发现，POGDY支架处理后的NSCs，其差异表达基因显著富集于多个与神经发育密切相关的通路，包括钙离子信号通路、神经营养因子信号通路、Wnt信号通路和神经活性配体-受体相互作用通路等。qPCR验证进一步确认，通路中的关键基因如BDNF、NMDAR、Wnt5、PKC等表达均显著上调。这表明GDY支架通过协同激活多个关键信号网络，从分子层面驱动NSC向功能成熟的神经元分化。
2.6. GDY-常春藤支架促进外周神经再生的体内评价
在大鼠坐骨神经缺损模型中，植入POGDY支架6周后，再生神经束排列更紧密有序，形态接近自体神经移植组。免疫荧光分析显示，POGDY组的轴突标志物NF200、施万细胞标志物S100和髓鞘标志物MBP的表达水平均显著高于PR和PO组，并伴有明显的取向生长趋势。此外，血管内皮标志物CD31的阳性信号也显著增强，表明该支架还能促进损伤区域的血管新生，为神经再生提供营养支持。
研究结论与重要意义
本研究成功开发了一种兼具优异导电性、力学性能和生物相容性的GDY-常春藤纤维神经支架。该支架通过整合物理取向引导和电活性刺激，在体外为神经干细胞创造了一个理想的“电-结构”协同微环境，不仅显著促进了其向成熟神经元的高效定向分化，抑制了胶质化，还加速了功能性突触的形成和神经网络的重建。机制研究表明，这种促进作用源于对钙信号、Wnt、神经营养因子等多条关键通路的协同激活。更重要的是，体内实验证实，该支架能够有效引导轴突有序再生、激活施万细胞、促进髓鞘重建和血管新生，实现了对外周神经损伤的高质量修复，其效果与自体移植相当。
这项工作的意义在于，它不仅首次系统揭示了石墨炔在调控神经干细胞命运和促进功能性神经再生方面的巨大潜力，拓展了碳基材料在神经再生医学中的应用边界，而且为设计下一代智能神经修复材料提供了创新性的“结构-功能”一体化思路。该研究为解决临床神经修复的瓶颈问题提供了新的材料选择和理论依据，展现出广阔的转化应用前景。
