基于高灵敏度微制造生物芯片研究镁及镁合金神经毒性

Magnesium and its alloys have broad applications as medical implant materials. Although general cell toxicity tests have showed good biocompatibility of magnesium alloys, no toxicity studies using more sensitive neuronal cells have been reported. As the toxic effects of magnesium alloys may be weak, the establishment of a high-sensitive-detection method is critical for fully evaluating neurotoxicity of magnesium and its alloys. In this project, we intend to develop axonal growth biochips by combining microfluidic technology and automatic axon-measurement technology and achieve real-time observation of axon-growth process before and after drug additions. Axon-length change is the morphologic indicator of the toxic effects of magnesium and its alloys. At the same time, in this project, we will also develop neural network biochip. The laser guided cell micropatterning and the microelectrode array techniques will be combined to achieve dynamic observation of the impact of drugs on neural network signal transduction. Spike and burst frequencies changes are the functional indicators of the toxic effects of magnesium and its alloys. Through the development of repeatable, high-throughput, single-cell level biochips, we will explore engineered, high-sensitive and quantitative detection method to evaluate neurotoxicity of magnesium and its alloys from both morphologic and functional aspects, which will provide critical data for clinical applications.

镁及镁合金作为医用植入材料具有广阔的应用前景。虽然一般的细胞毒性试验表明镁合金生物相容性良好，但是镁合金对于毒性更为敏感的神经细胞的作用尚未被研究。由于镁合金的毒性并不明显，因此建立一种高灵敏度的检测方法，全面客观评价镁及合金的神经毒性非常必要。本项目拟结合微流体技术和轴突自动测量技术开发轴突生长生物芯片，实时观测药物作用前后轴突的生长变化过程，以轴突长度变化为指标检测镁及合金对神经细胞形态的毒性。同时，本项目还将结合激光细胞微排列技术和微电极阵列技术开发神经网络生物芯片，动态观测药物对神经网络信号传导的影响，以峰电位和簇发脉冲自发放电频率变化为指标检测镁及合金对神经细胞功能的毒性。通过开发可重复性强、高通量、单细胞水平的生物芯片，本项目将实现工程化的高灵敏度定量检测，从形态和功能两方面全面评价镁及镁合金神经毒性，为临床应用提供重要依据。

镁及镁合金作为医用植入材料具有广阔的应用前景。虽然一般的细胞毒性试验表明镁合金生物相容性良好，但是镁合金对于毒性更为敏感的神经细胞是否仍然呈现出良好的生物相容性，尚未可知。然而，基于动物实验的神经毒性检测成本高、周期长、机制不清晰，因此有必要基于已有的检测技术及控制手段开发一种灵敏高效的体外评价方面，以对镁及其合金的神经毒性进行全面的研究。本项目以微流体技术和轴突自动测量技术开发了轴突生长生物芯片，通过对镁离子及浸提液对轴突生长形态等的影响，来分析镁及其合金对神经发育的影响。此外，项目还利用激光细胞微排列技术和微电极阵列技术开发了神经网络生物芯片，通过对电信号峰电位和簇发脉冲自发放电频率变为，动态研究镁及其合金对神经细胞功能的毒副作用。本项目完成了单细胞生长芯片的设计、神经细胞的培养及生长、轴突的定位观测、多细胞神经网络芯片的设计、镁及其合金的毒性分析检测等一系列研究工作，这些成果将会为未来该项技术的应用提供理论支持。此外，本项目发表学术论文5篇，申请专利3项，参加学术会议多次，培养博士研究生3名，为远期的研发奠定了基础。