Nanopillaire arrays Fabricage en karakterisering. A) Schematische weergave van de arrayparameters. B) 3D -weergave van de “strip” van de nanopillars. C) SEM -afbeeldingen van de nanopillaire arrays met verschillende hoogten: i) voetstuk, ii) 0,6 µm, iii) 1 µm, iv) 2,3 µm, v) 3,3 µm en vi) 5 µm). Schaalstaven komen overeen met 5 µm. D) SEM -afbeelding van de nanopilarsstrip (gebieden van 30 × 30 µm2 op deze foto). Schaalbalk komt overeen met 15 µm. E) gemeten interpillaire openingen en diameter (in µM). De gemiddelde en standaardafwijking zijn gebaseerd op N = 50 nanopillarsmetingen. F) Effectieve afschuifmodulus (in MPA) gerelateerd aan verschillende arrayshoogten van nanopillars (in µM). Credit: Geavanceerde functionele materialen (2024). Doi: 10.1002/ADFM.202409451
Belangrijkste cellen in de hersenen, neuronen, vormen netwerken door signalen uit te wisselen, waardoor de hersenen kunnen leren en zich kunnen aanpassen met ongelooflijke snelheid. Onderzoekers van de Delft University of Technology in Nederland (Tu Delft) hebben een 3D-geprinte hersenachtige omgeving ontwikkeld waar neuronen op dezelfde manier groeien als een echt brein.
Met behulp van kleine nanopilars nabootsen ze het zachte neurale weefsel en de extracellulaire matrixvezels van de hersenen na. Dit model biedt nieuwe inzichten in hoe neuronen netwerken vormen, evenals een nieuw hulpmiddel om in de toekomst te begrijpen hoe dit proces kan veranderen in neurologische aandoeningen zoals Alzheimer, de ziekte van Parkinson en autismespectrumstoornissen.
Het werk is gepubliceerd in het dagboek Geavanceerde functionele materialen.
Neuronen reageren, net als veel cellen in het lichaam, op de stijfheid en geometrie van hun omgeving. Traditionele petrischalen zijn plat en stijf, in tegenstelling tot de zachte, vezelige buitencellulaire matrixomgeving van de hersenen. Om te lijken op de geometrische en mechanische eigenschappen van deze omgeving, ontwierp het team van universitair hoofddocent Angelo Accardo nanopillaire arrays met behulp van twee-fotonenpolymerisatie, een 3D-laserondersteunde druktechniek met nanoschaalprecisie.
Deze pilaren, die elk duizend keer dunner zijn dan een menselijk haar, zijn gerangschikt als kleine bossen op een oppervlak. Door de breedte en hoogte (beeldverhouding) van de pijlers te veranderen, stemden de onderzoekers hun effectieve afschuifmodulus af, een mechanische eigenschap die door cellen werd waargenomen bij het kruipen bovenop de arrays van micro- of nano-structuren.
“Dit bedriegt de neuronen in ‘denken’ dat ze zich in een zachte, hersenachtige omgeving bevinden, hoewel het materiaal van de nanopilars zelf stijf is. Terwijl ze buigen onder het kruipen van neuronen, simuleren de nanopilars niet alleen de zachtheid van hersenweefsel maar alleen Bied ook een 3D-nanometrische structuur die neuronen kunnen pakken, net als de extra-cellulaire matrix nanofibers in echt hersenweefsel, “zegt Accardo. Dit beïnvloedt hoe de neuronen groeien en met elkaar verbinden.
Van willekeurige groei tot geordende netwerken
Om het model te testen, groeiden de onderzoekers drie verschillende soorten neuronale cellen, afgeleid van het hersenweefsel van muizen of uit menselijke stamcellen, op de nanopilars. In traditionele platte petrischalen en 2D -biomaterialen groeiden neuronen in willekeurige richtingen. Maar op de 3D-geprinte nanopillaire arrays groeiden alle drie de celtypen in meer georganiseerde patronen en vormden ze netwerken onder specifieke hoeken.
De studie onthulde ook nieuwe inzichten in neuronale groeicegels.
Accardo merkt op: “Deze handachtige structuren begeleiden de uiteinden van groeiende neuronen bij het zoeken naar nieuwe verbindingen. Op vlakke oppervlakken verspreidden de groeikegels zich en blijven relatief vlak. Maar op de nanopillaire arrays, de groeibegia’s lang, vinger worden uitgezonden, vinger -Like projecties, het verkennen van hun omgeving in alle richtingen -niet alleen langs een vlak vlak maar ook in de 3D -ruimte, die lijkt op wat er gebeurt in een echte hersenomgeving. “
“Bovendien hebben we ontdekt dat de omgeving die door de nanopillars werd gecreëerd ook neuronen leek aan te moedigen om te rijpen,” benadrukt George Flamourakis, eerste auteur van de studie. Neurale voorlopercellen die op de pilaren werden gekweekt, vertoonden hogere niveaus van een marker van volwassen neuronen, vergeleken met die gekweekt op vlakke oppervlakken.
“Dit laat zien dat het systeem niet alleen de groeirichting beïnvloedt, maar ook neuronale rijping bevordert”, voegt Flamourakis toe.
Een hulpmiddel voor het bestuderen van hersenaandoeningen
Als zachtheid echter zo belangrijk is, waarom zou u niet alleen neuronen groeien op zachte materialen zoals gels?
“Het probleem is dat gelmatrices, zoals collageen of matrigel, meestal lijden aan batch-to-batch variabiliteit en geen rationeel ontworpen geometrische functies hebben. Het Nanopillaire Arrays-model biedt het beste van twee werelden: het gedraagt zich als een zachte omgeving met nanometrisch Kenmerken en bevat een extreem hoge reproduceerbaarheid dankzij de resolutie van twee-fotonenpolymerisatie, “legt Accardo uit.
Door beter te repliceren hoe neuronen groeien en verbinden, zou het ontwikkelde model nieuwe inzichten kunnen bieden in de verschillen tussen gezonde hersennetwerken en die geassocieerd met neurologische aandoeningen, zoals Alzheimer, de ziekte van Parkinson en autismespectrumstoornissen.
Meer informatie:
George Flamourakis et al, waardoor de invloed van effectieve afschuifmodulus op de directionaliteit van neuronale netwerk en de morfologie van de groeicegel via laserondersteunde 3D -ingedrukte nanostructureerde arrays ontbindt, Geavanceerde functionele materialen (2024). Doi: 10.1002/ADFM.202409451
Dagboekinformatie:
Geavanceerde functionele materialen
Geboden door Delft University of Technology
