神经系统是一个由数以百万个神经元细胞构成的极其复杂的神经网络,负责人体的生理和认知功能。外伤或退行性疾病引发的神经损伤是致命且不可逆的。神经组织工程是进行神经修复与促进神经再生的一种策略,其依赖于干细胞、生物材料和外部线索的相互作用。目前可用于神经组织工程的干细胞有胚胎干细胞（ESCs）、诱导多能干细胞（i PSCs）、间充质干细胞（MSCs）和神经干细胞（NSCs）。自体干细胞移植是神经组织修复的最有效手段。但是,考虑到中枢神经系统静息NSCs的数量和再生潜力有限,只能进行小尺寸的自我修复,需借助外源干细胞分化和生物材料的支撑以弥补神经元的大量缺失。实现上述想法需要考虑分化后细胞是否具备神经生物电活动,这为干细胞分化进行神经再生修复策略带来了极大的挑战。事实上,生物材料除了可以作为细胞支架外,还可以通过激活神经增殖或分化相关的信号通路的方式实现对干细胞命运的调控。神经生物电的发现,使得研究者的目光聚焦到导电生物材料上来,石墨烯因为其优异的导电性能而备受关注。石墨烯拥有以碳原子为基础的二维蜂窝状晶格结构。其中芳香结构中的sigma键与其他三个碳键的成键方式,赋予了石墨烯优异的导电性、独特的机械性能以及出色的化学稳定性。由于石墨烯具有良好的生物相容性、可降解性与独特的理化特性,使其在干细胞增殖与分化方面具有广泛的应用前景。然而,电刺激的导入需要外接导线,这种方式会给病人造成二次伤害,需要开发一种无导线介导的电刺激。受电磁感应原理的启发,本论文将三维石墨烯泡沫（GFs）材料放置于旋转磁场下,通过导电材料切割磁感线的方式,实现磁-电耦合效应。GFs作为细胞生长支架,凭借其优异的电学性能将外界磁场转化为内源电信号,对干细胞进行无线电刺激,实现对干细胞命运的调控。本论文的研究内容包括以下两部分:1.磁场驱动GFs支架介导无线电信号促进NSCs向功能性神经元分化。组织工程治疗神经退行性疾病最理想的种子细胞是NSCs。然而,NSCs自主分化速度缓慢。临床应用NSCs进行神经组织修复会错过最佳治疗时间。研究证明,一些生长因子是可以加速NSCs的分化,但其成本高、半衰期短、在体内的行为不可预测,以及操作复杂。因此,本研究提出以GFs为支架材料结合旋转磁场产生内源电信号,以此促进NSCs向功能性神经元分化。当外部旋转磁场的旋转速率为300 rpm时,GFs表面产生的电信号大小约为8μA。CCK-8测试和活死染色证实GFs支架材料具有良好的细胞相容性;细胞骨架染色显示在磁场驱动下,生长在GFs上的细胞形貌发生了明显变化。免疫荧光染色结果显示,电刺激增强了成熟神经元MAP2的表达,进一步证明了电刺激增强NSCs分化的可行性。Western Blot对蛋白表达进行定量分析,结果与免疫荧光染色结果相同。磁场驱动GFs表面产生电信号,刺激细胞生长7天后,实验组细胞的MAP2蛋白表达显著高于无磁场处理在GFs表面生长的NSCs;相反,通过电刺激后神经胶质细胞相关蛋白GFAP表达处理蛋白表达量下降,这一结果证明电刺激可增强NSCs向神经元定向分化。电刺激作为一种安全有效的调控干细胞分化的方式,在治疗神经退行性疾病方面具有广泛的应用前景。2.磁场驱动下GFs支架介导无线电信号诱导BMSCs向功能性神经元分化MSCs非常符合神经组织工程种子细胞的条件,可完美解决NSCs匮乏的难题。但是,将MSCs诱导分化为功能性神经元存在一定的困难。之前的工作已经证明,电刺激可以增强NSCs向功能性神经元的分化。那么,GFs为支架材料介导的局域无线电信号能否诱导MSCs向功能性神经分化?研究表明,10μA以上的电流可以有效诱导间充质干细胞的分化。当旋转磁场的旋转速率为400 rpm时GFs表面产生电信号大小约为10μA。在GFs上培养的MSCs,仅通过15 min/天的旋转磁场刺激,不借助其它诱导因子,有效地促进了MSCs的神经分化。实验结果证明,神经元相关的基因/蛋白质表达升高;除此之外,将多巴胺神经递质加入到MSCs诱导而来的神经元中,观察到神经元细胞发生明显的Ca2+内流现象。这一结果充分证明,分化后的神经元为功能性神经元。将BMSCs接种在GFs支架材料上,并植入大鼠体内,并进行体外旋转磁场处理。处理13天以后,大量BMSCs存活并且部分BMSCs成功分化为神经细胞,并且在体内形成类似神经的组织。该研究解决了成人神经变性患者缺乏自体NSCs的问题,并且为诱导BMSCs的神经分化提供了一种简便、安全的新策略,对神经组织工程的临床应用具有重要意义。