高分子水凝胶修饰碳纳米管神经元探针的研究

1、江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目申请表项目名称高分子水凝胶修饰碳纳米管神经元探针的研究项目所属一级专业门工学项目所属二级专业类材料类项目类型（） 个人项目 （） 团队项目项目实施时间起始时间： 2008 年 5 月 完成时间： 2009 年 12 月申请人或申请团队姓名年级学校所在院系/专业联系电话E-mail主持人杲明菊06级南京理工大学化工学院高分子材aohappyhappy沈援06级南京理工大学化工学院高分子材stiantangdiyu成员何蕾05级南京理工大学化工学院高分子材ianzhixing2&#

2、160;孙鹏飞07级南京理工大学化工学院高分子材#160;a0603130102郎伟超07级南京理工大学化工学院高分子材yc_chen 导 师姓名车剑飞年龄41单位南京理工大学化工学院行政职务专业技术职务副教授主要成果博士，南京理工大学化工学院副教授。2005,08 -2006,02法国矿业联盟大学进修；2006,10 -2007,10新加坡南洋理工大学进修。承担科研项目6项，其中作为第一负责人承担2008年江苏省自然基金1项，其它课题2项，为主参加和完成国家自然基金2项。发表科研论文35篇。以第一作者发表论文共计16篇，其中8 篇

3、被SCI收录，2篇被EI收录，SCI影响因子总和为22.59，论文他引16次。发表期刊包括Advanced functional materials（影响因子: 7.496）、Nanotechnology（影响因子: 3.310）、Chemistry of Materials（影响因子: 4.883）。由于在碳纳米管组装方面取得了优秀成果，被新加坡材料研究学会主办的2007-先进材料国际会议邀请作大会特邀报告。出版复合材料及其工程应用（机械工业出版社）、工程塑料及其应用（机械工业出版社）两本专著。“纳米氧化物表面改性技术”获2006年度江苏省科学技术进步奖二等奖（排名第二）。一、申请理由（包括

4、自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣、已有的实践创新成果等）1. 知识条件本项目成员分别来自南京理工大学化工学院高分子材料与工程专业的不同年级学生，成员配备合理，能满足一个科研周期的时间跨度要求。小组成员经过23 年的学习，均熟练掌握高分子材料基本理论和相关基础知识，具备较强的计算机应用和英语读写能力。基础专业知识涵盖有机化学、物理化学、高分子化学、高分子物理、功能高分子材料、高分子科学分析测试等高分子材料核心课程，部分同学已根据课题需要选修了基础生物学、生物化学、细胞生物学等课程，具备进行材料学和生物学交叉课题创新研究训练的基本知识条件，能够很好的完成高分子水凝胶修饰碳纳米管神经元探针的研究

5、。2. 个人介绍研究小组成员均是成绩优异、综合素质较高、学有余力的本科生。本小组成员皆有开放性实验或研究生实验助手和其他科研单位实践的经历，参与部分科研活动，具备一定的实践经验。杲明菊：女，高分子材料与工程专业，大三学生，曾获三次校奖学金，专业知识扎实，思维活跃，有一定的实验经验，善于动手，对于科学实验有浓厚的兴趣，有很好的合作精神和一定的组织能力。特长优势：动手及组织能力强，责任心强，具有较高的文献检索及资料信息提炼能力，多次与小组成员协作完成设计性实验，主要负责文献检索、实验方案设计、论文撰写等各项工作。沈援：男，高分子材料与工程专业，大三学生，曾获三次二等奖学金，一次三等奖学金。基础知识

6、扎实，熟练使用计算机，较强的计算机编程能力。大二学年曾任校团委青年报副主编一职，文字处理能力较强。08年暑假参加了校“创新杯”科技创新赛的实践训练，获得三等奖，对科研训练有一定的经验。何蕾：女，高分子材料与工程专业，大四学生。学习成绩优异，已获得报送研究生资格，曾先后荣获三好学生、文艺活动积极分子等荣誉称号，并多次获得一等奖学金，具有较强的英语及计算机水平。理论知识扎实，做事认真仔细，对高分子材料、纳米材料都有较为深入的了解。曾参与校级科研训练项目，很好的完成课题 “全多孔硅胶微球的制备”，在最终审核中受到答辩老师一致好评。孙鹏飞：男，高分子材料与工程专业，大二学生，现担任副班长一职。专业基础

7、扎实，善于思考，思维活跃，具备较强的独立思考能力与动手能力，对实验与科学探索有浓厚兴趣。个人比较重视整体发展，涉猎较为广泛，曾参加过多项竞赛。对计算机和英语有较好的掌握能力。郎伟超：男，高分子材料与工程专业，大二学生，现任国际交流协会交流管理部部长，专业基础扎实，善于思考，有自己独到的见解，思维缜密，具有很好的合作经验与人际交往能力。特长优势：曾参加JS快速阅读训练，查阅中外文文献能力较强，思维开阔。二、项目方案（包括项目的训练目标、前期准备、组织实施、过程管理、实践环节、教师指导、项目结题等）（一）训练目标本训练项目小组研究成员5人，研究课题为“高分子水凝胶修饰碳纳米管神经元探针的研究”项目

8、。训练目标为在指导老师的指导下自主完成文献检索与综述、实验方案设计、实验组织操作、并进行数据分析处理和撰写总结报告等工作，了解科研工作的基本程序和共性规律。通过本训练项目的实施，引导研究小组成员进入学科研究前沿，提高实践能力, 启发创新意识；培养检索文献、自主学习新知识和撰写科技论文的能力；树立严谨的科学态度，成为具有团队协作精神和创业精神的人才。（二）前期准备主要包括系列讲座与培训、文献检索与综述、实验方案设计及分工安排。1系列讲座与培训：参加指导老师安排的系列讲座，了解指导老师课题的研究核心神经元传感器的表面修饰，学习目前国内外的研究现状和该技术的关键技术与研究热点，对研究课题形成基本了解

9、；学习了解科研工作的基本程序和共性规律，在指导老师的指导下进行必要的研究和实验技能的培训，掌握文献检索的基本方法，熟悉学校图书馆数据库的使用，能独立进行针对性文献调研；接受进入实验室的技安教育，学习操作相关的仪器设备。2文献检索与综述：文献检索与综述是课题研究的首要步骤，对相关研究的背景及进展情况进行文献调研，充分了解本研究课题的发展状况、研究意义和立项依据，才能保证所设计的实验计划具有一定深度和广度，保证实验结果的科学性、先进性和创新性，保证科研结果的顺利发表。本研究小组以“碳纳米管修饰神经元传感器与高分子水凝胶涂层的生物相容性”为题进行了广泛的文献调研，其文献综述及参考文献目录如下：脑机接

10、口（brain-machine interface，BMI）可以在脑组织与外部设备间建立直接连接通路，既可以把外界信号“写入”脑中，也可以通过记录神经活动而“读出”脑的信号（图1）。它不仅为神经系统的功能修复（如听觉修复、视觉重建以及运动控制）打开了一扇大门，也将为人性化机器和远程遥控开辟光明的前景。在神经元细胞与电子电极间建立一个活性的神经电界面层是脑机接口研究的基石。图1脑机接口工作示意图神经电界面是神经电极和神经元细胞间构建电突触的工作界面，其性能取决于将细胞的电生理活动（即离子电流）转换成电子信号（即电子电位或电流）的方式和效能。与化学突触中神经递质的检测不同的是，神经电界面与生物媒介

11、接触时，检测的是神经细胞的电位变化，以及神经细胞及其网络在时间和空间上的电位分布特征。但生物电信号只有很小幅度，且信号源内阻大，因而神经电界面研究至少面临着四个方面的问题：电极微型化与有效电荷转移面积的矛盾；金属电极/神经元细胞接触距离与神经元电突触间隙的矛盾；电极材料与中枢神经组织两者的机械模量差别；神经电界面生物相容性与长期安全性。CNT在生物电极应用方面，拥有一些与碳电极相似的优秀性能。同时其物理尺寸与神经元轴突匹配，为调节神经元发育提供了一条路线，已被广泛应用于引导轴突生长和神经修复。CNT的纳米效应提供了一个完美的方案，以解决高效神经电极微型化与神经电界面有效电荷转移面积这两方面的挑

12、战。指导老师课题组将化学法切断的碳纳米管固定在巯基化金探针表面，形成垂直取向的纳米阵列；然后采用电化学方法在其表面聚合导电高分子修饰层和生物活性分子掺杂或掺混，从而在神经电极表面构建一个具有多功能的发丝状柔软疏松3-D纳米微结构。其高表面积可增加神经电极与神经轴突间的接触和渗透，加大电信号接收面积；与碳纳米管协同的导电聚合物层可以同时降低电极的阻抗和相角，实现有效电子的快速转移。但碳纳米管修饰电极在模量匹配和生物活性分子修饰方面还存在一些问题亟待解决。CNT表面虽然可以进行一定的分子修饰，但以此实现神经电界面多功能化的操作难度较大。高分子水凝胶具有导电性和生物相容性的优点，其涂层容易掺杂或掺混

13、神经营养物质和治疗性药物，可提高神经元细胞的附着和轴树突的发育、实现营养物质提供和相关炎症治疗等多功能化，防止免疫反应和愈伤组织导致的信号质量衰退。同时通过控制水凝胶网络固化度，可以轻易地调节电极表面模量的数量级，调谐电极材料（100GPa）和中枢神经组织（100kPa）两者的机械模量存在巨大差别，减少其黏着应变的不匹配会引起组织发炎。水凝胶是以水为分散介质，具有三维网络聚合物结构，性质柔软，能保持一定的形状，在水中能够溶胀并保持大量水分而不能溶解。高分子水凝胶可分为两类，一类是以非共价键结合、分子缠绕、氢键等作用形成的物理交联水凝胶，另一类是以共价键作用形成的化学交联水凝胶1。水凝胶是在水中

14、溶胀的柔软的物质，由于其柔软性和高含水性，与生物成分接触时，表现出极其特殊的性质。首先，因柔软而不会损伤组织；其次，由于高含水性，故具有很高的物质透过性；另外，细胞的最外层被高含水性的多糖类所包覆，细胞也穿着水凝胶的外衣，所以水凝胶与生物成分的相互作用是温和的。目前水凝胶已经被广泛的应用与生物分子的释放、组织培养和组织工程支架材料。本课题拟采用化学法对碳纳米管进行切割同时使其端基功能化，然后将其垂直取向固定在神经探针表面，并采用高分子水凝胶进行表面包埋，同时在制备水凝胶涂层时添加生物活性分子，刺激神经元细胞在其表面的附着和生长，从而在神经探针表面上构建一个具有生物活性的3-D神经电界面纳米微结

15、构。研究重点包括碳纳米管在神经元探针表面的固定长度与密度的技术机制、水凝胶涂层的品种与制备、生物分子的选用与释放规律的研究。本课题研究成果可用于方便有效地记录中枢神经系统的电信号，准确探测中枢神经系统的异常，进而对病灶进行针对性刺激治疗。1 K. Whalley, Brain-Machine Interfaxe: Getting to grips with a robotic arm, Nature reviews, 2008,9,122 P. G. Patil, D. A. Turner, The Development of Brain-Machine Interface Neuropro

16、sthetic Devices, Neurotherapeutics, 2008, 5, 137-1463 V. Parpura, Carbon nanotubes on the brain, Nature Nanotechnology, 2008, 3, 384-3854 E. W. Keefer, B. R. Botterman, M. Romero, A. F. Rossi, G. W. Gross, Carbon nanotube coating improves neuronal recordings, Nature Nanotechnology, 2008, 3, 434-4395

17、 J. F. Che, Y. Xiao. Sun, Electrosynthesized PEDOT/Glutamate chemically modified electrode: a combination of electrical and biocompatible features. Polymer International, 2008, 57, 750-7556 B. L. Fletcher, S. T. Retterer, T. E. McKnight, A. V. Melechko, J. D. Fowlkes, M. L. Simpson, M. J. Doktycz, A

18、ctuatable Membranes Based on Polypyrrole-Coated Vertically Aligned Carbon Nanofibers, ACS Nano, 2008, 2 (2), 247-2547 Jie Yan, Haojie Zhou, Ping Yu, Lei Su, L. Q. Mao, Rational Functionalization of CNTs Leading to Electrochemical Devices with Striking Applications, Advanced Materials, 2008, 20, 2899

19、29068 L. Ding, A. Tselev, J. Y Wang, Selective Growth of Well-Aligned Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes, Nano Letters, 2009, 9, 8008059 Haiqing Lin, Elizabeth Van Wagner, et al. Plasticization-Enhanced Hydrogen Purification Using Polymeric Membranes. Science, 2006, 639 (311).10 Idalis Vi

20、llanueva, Brenda J. Klement, et al. Cross-Linking Density Alters Early Metabolic Activities in Chondrocytes Encapsulated in PEG Hydrogels and Cultured in the Rotating Wall Vessel. Biotechnology and Bioengineering, 2008: 1-9.11 Peter Gasteier, Anna Reska,et al. Surface Grafting of PEO-Based Star-Shap

21、ed Molecules for Bioanalytical and Biomedical Applications. Macromolecular Bioscience, 2007, 7: 1010-1023.（三）组织实施项目立项后制定具体的实施方案和工作计划，在指导教师指导下，项目组成员共商议后，项目主持人统筹安排实验工作时间，协调正常课程学习与试验工作，确保项目进度与方案实施。研究小组按工作需要分为两个研究方向，由杲明菊负责修饰电极的生物相容性研究方向，由沈援负责水凝胶涂层生物分子释放动力学研究方向，初期两个方向小组合作完成文献查阅与方案设计、碳纳米管的化学切割及其在神经元探针上的固定

22、、高分子水凝胶涂层的制备和生物分子掺杂的初期工作，然后按照各自研究方向独立研究。保证各个研究分支的相互合作，又保证分工明确，独立完成。（四）过程管理为确保计划的顺利开展，提高研究科学性和研究效率，并且保证项目圆满完成，防止研究过程的松懈行为，必须建立相关管理制度，增强成员高度责任感。主要采取的措施包括：1任务进行前要有明确的任务计划书，由指导教师审阅同意后实施。2任务进行过程中要有详尽的实验记录。3指导老师和研究小组要形成定期组会工作制度，组会前要提交研究报告，分析报告实验结果，及时讨论研究中出现的问题和解决方法，对后续实验方案适时进行必要的修正与完善。4每学期给出学期阶段性研究小结，项目组成

23、员对实验进展和阶段性结果进行定期总结，邀请专家听取中期考核汇报，接受专家建议。5任务结束时，每个任务分支需提供完整的实验报告。6学校将组织中期检查，结题答辩。结题时提交结题报告、研究成果和研究工作记录。（五）实践环节实践环节是创新训练计划的主要环节，要在项目设计上体现出研究小组成员的创新，在项目实施阶段期间体现出研究小组成员的实验能力训练。项目组成员在研究过程中应充分发挥每个成员的独立工作能力和能动性，实现创新训练计划的目标。实践环节主要包括以下内容：1文献查阅与方案设计：已完成2碳纳米管的化学切割及其在神经元探针上的固定：采用混酸辅助超声波的方法对碳纳米管进行化学切割和端基功能化，研究碳纳米

24、管的固定技术，建立碳纳米管固定长度与密度的技术机制，构建垂直有序的、稳定和有型的3-D纳米管组装结构模型。3高分子水凝胶涂层的制备和生物分子掺杂：采用紫外光固化法制备丙烯酸接枝的聚乙二醇水凝胶，研究分子链长度和交联密度对水凝胶强度和模量的影响，完成高分子水凝胶涂层的制备和生物分子的掺杂技术。4水凝胶涂层的生物相容性研究：研究在神经电界面纳米微结构表面上神经元细胞的附着和神经轴树突的发育，评价生物活性分子对修饰涂层电化学性能影响；完成神经元的神经电信号的离体检测，初步构建神经电界面处理的优化窗口。5生物分子释放动力学研究：研究凝胶药物体系的药物释放对3-D神经电界面纳米微结构表面上神经元细胞附着

25、和神经轴突生长的影响，进行神经元传感器探针涂层的生物相容性研究。6结题和答辩：提交结题报告，准备结题答辩治疗，接受考核小组评估。（六）教师指导本项目的指导教师是车剑飞副教授，高分子材料教研室的朱绪飞副教授、宋晔副教授、生物工程教研室的李大力副教授也参与指导。具体指导内容包括以下环节：1负责研究小组成员的研究背景培训，为研究小组成员做系列讲座和报告；指导学生填写创新训练计划立项书，协助指导学生项目团队组建与分工；进行文献检索和实验室技安培训。2提供和支持学生完成项目所需的实验室、仪器、材料和资料等；在项目实施前给予必要的仪器设备操作培训，初期指定相关研究生跟踪实验全过程。3审阅学生提交的实验方案

26、，对科学性和可行性进行分析论证，并提出指导意见。4. 参与项目实施过程中管理和指导，建立研究小组组会制度，定期召集召开组会，指导学生分析、统计数据，并根据实验结果调整方案，逐步提高研究小组成员的独立工作能力。5. 指导学生总结研究成果和结题，指导研究小组成员完成自己所进行的科研工作的论文写作，负责研究小组成员科技论文的修改与审核。（七）项目结题项目结束后，提交结题报告、研究论文和研究工作记录，接受相关部门的组织结题验收，以答辩和考核指标相结合的方式进行。三、学校提供条件（包括项目开展所需的实验实训情况、配套经费、相关扶持政策等）本项目指导老师一直致力于导电高分子修饰神经元传感器和CNT的取向与

27、自组装工作。曾以导电高分子聚吡咯及聚噻吩衍生物PEDOT为研究对象，系统性研究了其修饰电极的电化学聚合条件及神经递质材料的掺杂与应用，制备的化学修饰电极的电化学性能与生物相容性优秀。同时在CNT的表面修饰及其取向组装的研究也取得一定的经验，研究了单壁CNT在金表面的组装以及其电化学行为，修饰电极对电信号的响应具有较好的敏感性。2008年指导老师的课题“基于神经信号探测的探针表面修饰”和“碳纳米管修饰电极3D结构”分别获得了江苏省自然基金南京理工大学留学回国人员科研启动基金资助。本项目“高分子水凝胶修饰碳纳米管神经元探针的研究”是上述两个项目的延伸研究，主要是对前期研究的修饰电极进行水凝胶涂层修

28、饰，进一步提高其生物相容性。因而本项目的研究具有较好的实验技术储备、试验设备支撑、以及研究经费补充。本项目的研究主要在南京理工大学软化学和功能纳米材料教育部重点实验室实施。该依托于国家级重点学科材料学和国防科工委重点学科纳米及亚微米科学与技术，从事纳米功能材料研究多年，为本课题的研究提供了良好的平台：Autolab电化学工作站，S-5000型场发射扫描电镜（FESEM），CSPM 4000原子力显微镜（AFM），JEM2100高分辨透射电子显微镜（HTEM），Invia激光拉曼光谱仪，SDY四探针测试仪，傅立叶红外光谱仪（FTIR）等。同时南京理工大学分子代谢研究中心成立于2006年，已经完成

29、固定资产投资近800万元，后续已经落实的进一步固定资产投资300万元。现拥有基因工程、细胞生物学所需的设备和技术，有自己专用的细胞培养室。与本项目相关的设备有：荧光倒置显微镜，1700 型四通道放大器，ML795 型多通道信号采集系统。实验场地和仪器设备均能满足学生开展实验和创新训练的需要。学校将按照不低于：的比例进行经费配套，给予学生创新学分的奖励，认定指导教师的教学工作量。对于成果显著的项目，学校将拨付奖励经费，并给予学生奖励学分。四、预期成果 神经电极表面3-D神经电界面水凝胶涂层的构建，提高神经电极的灵敏度，创建神经信号高灵敏度、高选择性探测的窗口； 建立神经电界面水凝胶涂层多功能化，

30、改善神经元细胞的附着和轴树突的发育，实现神经界面的营养和治疗，提高神经电极的稳定性和长期效能，实现神经信号的原位、在体、实时、在线的动态检测； 表面3-D神经电界面纳米微结构修饰的神经电极模型样品以及发明专利1项； 发表国内核心期刊论文2-3篇； 培养具有科研创新精神和较强实验动手能力的本科学生5人。 五、经费预算本项目总经费为3万元，其中申请大学生实践创新训练计划项目经费共计0.6 万元，主要用于开支项目的第1-2项，其它费用由指导导师科研项目资助，主要用于开支项目的第3-6项。计划经费开支情况如下：1. 碳纳米管化学切割及其固定：0.3万元，用于购买碳纳米管和金电极；2. 高分子水凝胶涂层的制备：0.3万元，用于购买高分子水凝胶原料和生物分子