基于细胞外基质的可植入电极表面导电生物活性复合涂层构建及评价

This project aims at the key scientific problem of "the reaction regulation and mechanism of implantable electrode / nerve tissue interface" in biomedical materials researches. Based on the mechanism of the extracellular matrix regulating the behavior of the tissue cells and the requirements of implantable electrodes, in vitro derived cell sheet, which is rich in extracellular matrix and easy to compound, and polypyrrole, which is able to conduct electrical signals and be electrochemically polymerized into coatings, were proposed to build conductive composite coatings consisted of interwoven graphene nanodots / extracellular matrix network and drug-loaded polypyrrole network. Cellular responses of nerve tissue, tissue regeneration/repair, the electrical signal conduction of the coatings will be characterized and discussed. The main contents of this project include: extracellular matrix acquisition and micro / nano structure regulation; conductive extracellular matrix / drug loaded polypyrrole composite coating preparation and structure regulation; interactions between composite coating and nerve cells and their effects on tissue regeneration; electrical signal conduction and tissue regeneration in composite coating. This project provides a new idea for the research on surface coatings of implantable neurostimulation electrode, as well as other fields related to electrode / neural interface. It has important theoretical and practical significance for biomedical materials and biomedical engineering researches.

本项目针对生物医用材料研究中“可植入电极/神经组织界面的反应调控及其机制”这一关键科学问题，依据细胞外基质调控组织细胞行为的作用原理以及可植入电极的要求，利用体外获取的细胞薄层富含细胞外基质且易于复合、聚吡咯可传导电信号并且可电化学聚合成膜的特性，创新地提出构建由石墨烯纳米点/细胞外基质网络与载药的聚吡咯网络交织的导电复合涂层，并研究其表面神经组织细胞的响应特性、组织再生修复性能、电信号传导性能等相互之间的作用及影响因素。研究内容包括：细胞外基质薄层的获取及微纳结构调控研究；导电细胞外基质/载药聚吡咯复合涂层的制备及结构调控研究；复合涂层与神经细胞的相互作用及对组织再生修复的作用研究；复合涂层的电信号传导性能及其与组织再生修复相互作用研究等。本项目为可植入神经刺激电极表面涂层以及其它涉及电极/神经界面的领域的研究提供了新的思路，对生物医用材料和生物医学工程研究有着重要的理论和实践意义。

本项目针对可植入电极表面因植入后的炎症反应最终导致失效的问题，以细胞外基质基材料为基础，通过各种功能材料的复合对其进行电活性化、载药功能化和光热功能化，以构建一个有利于抗炎或组织修复的涂层界面，具体开展了以下几方面的研究：.1. 细胞外基质/聚吡咯电极涂层调控细胞响应的研究.2. 胶原/聚吡咯电极涂层调控神经炎症的研究.3. 细胞外基质/聚吡咯载药涂层的制备及其电控释放调控抗炎研究.4. 石墨烯光热功能化细胞外基质涂层调控细胞响应.研究结果显示，通过聚吡咯与细胞外基质的复合构建双网络结构，可以获得兼具电活性与生物活性的复合涂层，并且通过调控复合时间可以调控涂层性能，在合适的电刺激下涂层可以通过影响细胞的钙离子通路促进成骨分化，有利于骨组织修复。通过在交联剂交联的胶原网络上复合聚吡咯，同样实现了胶原网络的电活性化，具备双网络结构的胶原/聚吡咯涂层能够通过调节细胞钙离子与活性氧水平实现对神经炎症的调控。采用电化学沉积的手段在聚吡咯涂层上载药并复合细胞外基质，成功构建了兼具仿生微环境和电控释药能力的复合涂层，具有显著的抗炎能力并能够促进成骨分化。并初步研究了细胞外基质光热功能化，发现合适的光照能够调控细胞响应，并初步显示出调控免疫细胞极化的能力。.本项目为可植入电极涂层设计、生物材料表面与组织界面的炎症反应调控等方面的研究提供了新的思路，对于需要在材料与组织细胞界面进行电信号传输的基础研究以及工程研究有着较强的理论和实践意义，同时对于新型组织再生材料的研究也有着较强的借鉴作用。