电刺激调控神经元分化与迁移的ITO电极平台构建及其在神经再生中的应用

本研究针对电刺激(EFS)对神经元行为的调控机制，开发了基于氧化铟锡(ITO)的叉指电极(IDE)平台，通过150-300 V/m直流电场刺激(DCEFS)诱导SH-SY5Y细胞分化。创新性采用圆形与传统IDE设计，发现150 V/m刺激可促进神经突生长(neurite outgrowth)，300 V/m则引发细胞迁移。该可重复使用平台为神经组织工程提供了新型研究工具。

　　

在神经再生医学领域，如何精确调控神经元的分化与迁移一直是重大挑战。传统金属电极易腐蚀，聚合物材料不耐高温，而现有电刺激平台难以兼顾长期稳定性与可视化观察。氧化铟锡(ITO)因其透明性、生物相容性和导电稳定性成为理想材料，但针对不同电极几何形状对神经元行为的差异化影响尚未系统研究。

为解决这些问题，国内研究人员开发了可重复使用的ITO叉指电极(IDE)平台，通过对比传统直线型与新型圆形电极设计，探究了直流电场刺激(DCEFS)对SH-SY5Y神经母细胞瘤细胞的影响。研究发现150 V/m电场可显著促进神经突生长，表现为细胞体收缩伴随突触延伸至胞体5倍长度；而300 V/m刺激则导致细胞向负极迁移或聚集。圆形IDE因电场线均匀分布，诱导出多向神经突生长，较传统设计更具优势。该成果发表于《Biosensors and Bioelectronics: X》，为神经修复器件开发提供了新思路。

关键技术包括：1) 光刻法制备两种IDE图案；2) 胎牛血清(FBS)动态涂层增强细胞粘附；3) 超声清洁实现平台重复使用；4) 扫描电镜(SEM)定量分析形态变化；5) 钙离子(Ca²⁺
)极化机制探究。

研究结果
3.1 电极表面表征
SEM证实500 μm间距的IDE精确成型。圆形设计通过曲率优化减少电场畸变，电场线呈放射状分布，有效刺激面积较传统设计提升30%。

3.2 电刺激效应
3.2.1 电场强度影响
150 V/m组细胞出现纺锤形变与阳极导向突触生长，300 V/m组则出现细胞迁移（传统IDE）或热损伤性聚集（圆形IDE）。热力学模拟显示圆形IDE更易产生局部焦耳热。

3.2.2 细胞迁移与形态
延时摄影显示刺激后30分钟即出现细胞极化迁移，24小时后神经突长度增加3倍。SEM显示EFS组细胞体缩小40%，但突触分支增加2.5倍，符合"体积补偿"理论。

3.2.3 电极几何效应
圆形IDE使多突触细胞比例从30.6%升至72.1%，且19.3%细胞达到神经型(N-type)标准（突触/胞体长度比>2），显著高于传统设计的20.7%。

结论与意义
该研究首次阐明ITO电极几何形状通过调控电场分布影响神经元行为：圆形IDE产生的径向电场可诱导多向神经突生长，而传统IDE仅引发单向延伸。提出的FBS-超声清洁法使平台可重复使用10次以上，降低实验成本。这些发现不仅为帕金森病等神经退行性疾病的电刺激治疗提供参数优化依据，其透明电极设计更为活体钙成像等技术集成奠定基础。未来可进一步探索不同频率交流电刺激(ACEFS)对突触可塑性的影响，推动神经接口器件向智能化发展。