科学家首次在不使用任何动物来源材料或添加生物涂层的情况下，成功培育出具有功能性神经网络的类脑组织。这项发表于最新一期《先进功能材料》的突破性进展，为神经药物检测提供了更可控、更人道的新途径，有望减少甚至替代传统依赖动物实验的研究模式。
该技术的核心是一种由常见聚合物聚乙二醇（PEG）制成的新型支架材料。PEG以其化学惰性著称，通常情况下，活细胞无法在其表面附着和生长，除非借助层黏连蛋白或纤维蛋白等动物来源的生物涂层。然而，这些涂层成分复杂且定义不明确，严重影响实验的可重复性和可靠性。领导该研究的美国加州大学研究团队指出，这是现有脑组织平台的一个主要缺陷。相比之下，新开发的PEG支架通过精巧的结构设计，完全摆脱了对这类生物涂层的依赖。
图片来源：AI生成
团队采用一种创新的微流控技术，让水、乙醇和PEG溶液通过嵌套的玻璃毛细管流动。当混合物到达外层水流时，其成分会自发分离，随后一道闪光瞬间固化，将这种分离状态锁定，从而形成一个错综复杂、相互连通的多孔迷宫结构。正是这种仿生的三维结构，使得原本惰性的PEG材料被供体脑细胞识别并利用，最终构建出具有功能性的神经网络。
这种多孔结构不仅为细胞提供了附着和生长的物理支撑，其孔隙还能高效循环氧气和养分，为细胞的存活、增殖和分化提供了理想的微环境。团队表示，这种设计更接近真实的脑组织生物学环境，因此能更好地引导和控制细胞行为。一旦细胞在支架中成熟，它们便能展现出供体特异性的神经活性，这意味着可直接在培养皿中，利用来自特定患者的细胞来模拟和研究创伤性脑损伤、中风或阿尔茨海默病等神经疾病，并直接评估针对这些疾病的药物疗效和毒性。
目前，该类脑组织模型的尺寸约为两毫米宽，尚处于初步阶段。未来，团队计划扩大模型的规模，以构建更复杂的脑区模型。同时，他们也在探索将这一技术应用于其他器官。他们的长期愿景是开发一套相互连接的、器官级别的培养系统，以模拟人体内不同器官之间的相互作用。
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人工合成一个带有功能性神经网络的大脑有多难？本文介绍的复杂研究经历或能窥豹一斑。而在该成果的基础上，新型脑组织平台开始逐渐完善，最终能像真正的大脑一样，展示良好的稳定性、长寿命和功能性。再将这样的系统“互联”成人体组织，科学家将能观察一种治疗对不同组织的影响，以及一个器官的病变如何波及另一个器官，从而为更全面、更深入地理解人类生物学和疾病机制。
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