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Die Mikrostrukturierung von Neuronen birgt ein großes Potenzial für die Geweberegeneration1,2,3,4,5 und die Entwicklung neuroelektronischer Geräte6,7,8. Die mikrometerskalige Positionierung von Neuronen bei hoher räumlicher Auflösung, wie in biologischen Geweben, stellt jedoch eine erhebliche Herausforderung dar. Die Bildung von vorgefertigten Strukturen in dieser Größenordnung erfordert die Führung von Nervenzellprozessen durch lokale Kontrolle der Somamotilität und des axonalen Auswuchses. Frühere Studien haben die Verwendung von chemischen und physikalischen Hinweisen9,10,11,12 zur Steuerung des neuronalen Wachstums vorgeschlagen. Hier konzentriert sich ein neuartiger Ansatz auf die Steuerung der Zellpositionierung durch Magnetfeldgradienten13,14,15,16,17, wobei mit MNPs beladene Zellen in magnetisch empfindliche Einheiten umgewandelt werden, die aus der Ferne manipuliert werden können.
Kunze et al., die die Kraft charakterisierten, die benötigt wird, um zelluläre Reaktionen mit magnetischen Chip- und MNP-geladenen Zellen zu induzieren, bewiesen, dass eine frühe axonale Dehnung durch mechanische Spannung in Zellen ausgelöst werden kann18. Tay et al. bestätigten, dass mikrogefertigte Substrate mit verbesserten Magnetfeldgradienten eine drahtlose Stimulation neuronaler Schaltkreise ermöglichen, die mit MNPs unter Verwendung von Kalziumindikatorfarbstoffen dosiert wurden19. Darüber hinaus verschmolzen Tseng et al. Nanopartikel in Zellen, was zu lokalisierten Nanopartikel-vermittelten Kräften führte, die sich der zellulären Spannungnäherten 20. Dies führte zur Herstellung definierter Muster mikromagnetischer Substrate, die dazu beitrugen, die zelluläre Reaktion auf mechanische Kräfte zu untersuchen. Die zelluläre Spannung, die durch die Anwendung lokalisierter Nanopartikel-vermittelter Kräfte entsteht, wurde durch die Verschmelzung von Nanopartikeln innerhalb von Zellen erreicht20. Ein komplementäres Metalloxidhalbleiter (CMOS)-mikrofluidisches Hybridsystem wurde von Lee et al. entwickelt, die eine Reihe von Mikroelektromagneten in den CMOS-Chip eingebettet haben, um die Bewegung einzelner Zellen zu steuern, die mit magnetischen Perlen markiert sind21.
Alon et al. verwendeten mikroskalige, vorprogrammierte Magnetpads als magnetische "Hot Spots", um Zellen zu lokalisieren22. Spezifische Aktivität könnte auch innerhalb von Zellen stimuliert werden, indem mikrogemusterte magnetische Arrays verwendet werden, um Nanopartikel an bestimmten subzellulären Stellen zu lokalisieren23. Die zelluläre MNP-Aufnahme wurde erfolgreich in den primären Neuronen24 , 25,26von Blutegel, Ratten undMäusennachgewiesen. Hier wurde dies an einer Phäochromozytom-Zelllinie der Ratte PC12 nachgewiesen, von der zuvor berichtet wurde, dass sie eine hohe Aufnahme von MNPs27zeigt. In den letzten Jahren gab es verschiedene medizinische Anwendungen von MNPs, einschließlich Medikamentenabgabe und Thermotherapie bei Krebsbehandlungen28,29,30,31. Konkret befassen sich Studien mit der Anwendung von MNPs und Neuronennetzwerken32,33,34,35. Die magnetische Organisation von Neuronen, die MNPs auf Einzelzellebene verwenden, verdient jedoch weitere Untersuchungen.
In dieser Arbeit wurde ein Bottom-up-Ansatz beschrieben, um lokale magnetische Kräfte über vorgefertigte Plattformen zur Kontrolle der neuronalen Anordnung zu entwickeln. Die Herstellung von Mustern im Mikrometerbereich von FM-Multilayern wurde vorgestellt. Diese einzigartige, mehrschichtige FM-Struktur erzeugt eine stabile senkrechte Magnetisierung, die zu effektiven Anziehungskräften für alle magnetischen Muster führt. Durch Inkubation wurden MNPs in PC12-Zellen geladen und in magnetisch empfindliche Einheiten umgewandelt. MNP-geladene Zellen, die auf den magnetischen Plattformen plattiert und differenziert wurden, wurden bevorzugt an den magnetischen Mustern befestigt, und das Neuritenwachstum war gut auf die Musterform ausgerichtet und bildete orientierte Netzwerke. Es wurden mehrere Methoden beschrieben, um die magnetischen Eigenschaften der FM-Multischichten und der MNPs zu charakterisieren, und es wurden auch Techniken für die zelluläre MNP-Aufnahme und Zelllebensfähigkeitstests vorgestellt. Zusätzlich werden morphometrische Parameter des neuronalen Wachstums und statistische Analyse der Ergebnisse detailliert beschrieben.