组织工程中使用电刺激调节细胞行为 - 上

再生医学和组织工程结合医学、细胞和分子生物学、材料科学和生物工程等方面，以再生、修复或替代组织或器官为目。三个关键因素包括种子细胞、支架和刺激因子。

组织工程支架可以将特定的细胞运送到受损部位，并作为提供刺激的介质，类似于天然组织的组成。支架模拟自然组织的力学特性和所需的生物学特性，以确保体内支持，营养物质的最佳扩散，并促进细胞通讯。种子细胞包括非干细胞和干细胞。非干细胞包括：雪旺细胞(SCs)、成骨细胞、成纤维细胞和内皮细胞(ECs)；干细胞可分为两种类型：(1)成体干细胞：脂肪源性干细胞和肌肉源性干细胞；(2)非成体干细胞：胚胎干细胞(ESCs)、神经干细胞(NSCs)和骨间充质干细胞(BMSCs)。

干细胞具有强大的自我更新和多系分化潜能。将细胞种子支架植入患者体内，然后细胞将产生新的组织。组织或器官的快速和再生是一个非常具有挑战性的问题，因为移植的细胞很容易在宿主组织中丢失，存活率很低。此外，如果有缺陷的细胞迁移到伤口部位会导致更严重的情况。供体部位细胞功能的丧失和不可控的分化是干细胞移植在再生医学中应用的限制。因此，它们需要在体外和体内操纵细胞行为，包括细胞增殖、迁移、分化和其他细胞过程。支架材料的选择、支架的表面形貌以及其他刺激因素都可以操纵细胞的行为。

研究已经证明，生物化学和生物物理线索都可以影响细胞行为。不同形式的刺激因子可诱导细胞增殖、分化，完成组织修复，不适当的刺激因子可导致细胞死亡或无作用。因此，选择合适的刺激因子可以提升修复效果。

生化线索包括提供化学试剂和对支架进行化学表面修饰。一方面，添加生长因子、表面固定化生物信号、细胞因子和小分子药物会立即被血液稀释或被生物体代谢。另一方面，化学试剂的表面固定方法也不完善，硅烷化或共沉淀等方法复杂且效率低，需要更多的表面处理来提高连接效率，增加沉积速率。生物物理线索包括表面形貌、基底刚度、压缩和拉伸、电场或磁场、超声刺激和光刺激。生物物理线索具有成本效益高、寿命长、易表征、重现性高等优点，便于大规模操作。

电刺激(electrical stimulation, ES)作为一种生物物理提示，在临床上已被证明能有效缓解疼痛，促进血液循环，降低血管和骨骼肌张力，促进水肿和关节液的重吸收。

许多研究表明，胚胎干细胞可以有效地操纵细胞在体内和体外的行为。在人体内，每个细胞受到某种形式的刺激后，局部的生物电信号会影响到各种组织中的细胞。ES触发细胞自身通过内在途径传递信号，从而导致直接的细胞活动，包括迁移、分化和增殖。

提供电刺激的材料

金属生物材料包括铂(Pt)，而金因其高机械强度、长期稳定性、良好的导电性和生物相容性而越来越多地用于医疗应用。然而除贵金属外，大多数金属材料易氧化，耐腐蚀性较弱，金属离子的释放也可能引起过敏或致癌。金属材料的表面改性被认为是解决上述问题的有效方法，包括制备涂层和生物活性分子的共价化学偶联。

导电聚合物被研究为可能的候选者。虽然导电聚合物在长期刺激下的裂缝或分层限制了电极性能，但与特定剂交联或共轭聚合物的原位聚合提高了物理稳定性，同时允许探索其优越性能。石墨烯、碳纳米管和碳气凝胶等碳材料具有优异的电性能和易于生物功能化的能力，以及药物负载。沉积和固定石墨烯可以避免由于直接接触相互作用和包裹机制对细胞的损伤。直接暴露在体内的碳纳米管有很高的脱离可能性。通过加强生物相容性软聚合物基质内的碳纳米管模式，可以克服上述问题。

电刺激的方法及参数

传递ES的方法主要有三种：直接耦合、电容耦合和利用电磁场。

直接耦合：电极直接插入培养基并附着在支架上以传递ES。该方法操作简便，应用最为广泛。然而缺点也很明显，如电极的生物相容性不足，与介质接触导致温度升高，pH值变化以及产生有害副产物。

电容耦合的生物安全性更高：两个电极放置在相对的两端，为植入在电极之间的支架上的细胞提供均匀的电场。该系统是非侵入性的，不需要导电支架来提供均匀的ES。

电感耦合通常使用由放置在细胞培养系统周围的导电线圈产生的可控电磁场，称为脉冲电磁场刺激(PEMF)。刺激通过脉冲传递，模拟人体的自然电位传递。PEMF在目标细胞附近提供电位，而不是直接向细胞施加ES。PEMF处理的主要缺点是耗时和资源消耗。

ES的不同参数对调节细胞行为有相当大的影响。ES可以提供单相和双相的波形形式，其中波形有脉冲、正弦、正方形、三角形和锯齿形。使用间歇或连续刺激是另一个参数。根据刺激参数设置，单相刺激可以有效地极化目标组织，但由于金属电极表面的法拉第反应，单相刺激可能通过氧化还原过程产生活性氧。特别是在长时间和/或高频率的大电流脉冲的情况下，焦耳热效应可能导致细胞损伤。然而，由于法拉第影响小而引起的局部离子或电化学不平衡对实验的影响也不容忽视。

双相刺激可能更有利，因为它可以防止电荷积累，在电极处产生较低水平的电解产物，超出了单相刺激的限制，并且可以在更长的时间和更高的电压下应用。例如，在临床应用中通常选择双相刺激来刺激神经组织，因为双相刺激较少电荷积累和有毒副产物，并且不太可能引起神经元损失。单相刺激可用于短期实验，但长期应用需要双相刺激。不适当的刺激参数可能导致与实验预期相反的结果。

在刺激频率方面，低于1 kHz的ES频率通过显著影响细胞周期，增加细胞比例和DNA合成来促进细胞增殖。高于100 V/cm的高强度可引起细胞膜电穿孔，细胞内Ca2+和活性氧立即增加，进而诱导细胞凋亡。当高强度不可避免时，应采用脉冲电刺激，避免持续的高强度，以减少损伤。