科学家研发生物3D打印技术，突破组织工程新方法

来源：环球网

【环球网科技综合报道】1月20日消息称，国际知名期刊《细胞-干细胞》（Cell Stem Cell）近日发表研究指出，在生物制造与组织工程领域，如何在超软且高含水量的三维材料体系中，构建出稳定可控的空间取向结构，是实现复杂功能组织构建的核心技术瓶颈之一。传统打印方法往往难以兼顾结构成型性、取向一致性与长期稳定性，这限制了其在神经组织等高维度、各向异性软组织结构构建中的应用。

近期，中国科学院动物研究所等研究团队，提出并系统验证了一项基于剪切应力场调控的新型生物3D打印策略——NEAT。这项技术为软组织跨尺度取向结构的制造，提供了工程化的解决方案。

研究资料显示，天然细胞外基质材料具有良好的生物相容性，但在生理条件下，其自组装动力学过程缓慢，力学稳定性较弱，难以支撑高水合状态下的三维成型与长期结构保持。

因此，研究团队创新性地提出了NEAT生物打印策略。该策略将材料层级组装过程直接嵌入到打印制造环节本身，在保留I型胶原三螺旋结构和天然生物活性的前提下，通过降冰片烯化学修饰引入快速光交联能力。随后，团队利用挤出式打印喷头内部形成的可控剪切应力场，在材料沉积过程中同步诱导胶原纤维发生定向重排与层级组装。通过对喷头直径、挤出压力、打印速度及温度等工程参数的系统调控，研究团队成功实现了从50纳米到200纳米尺度胶原纳米纤维的定向排列、微米级纤维束的连续组装，直至厘米级三维结构的整体取向一致性构建。

在体外功能验证中，NEAT策略构建的取向结构为人源神经干细胞提供了高度仿生的物理微环境。与非取向打印的对照组相比，取向结构显著提升了神经干细胞沿打印方向排列和定向分化的能力。同时，具有神经元特征的细胞比例明显提高。向打印构建的神经组织表现出更强的网络同步振荡活动、更高的神经元自发放电频率，以及更大的电压门控钠电流峰值，整体呈现出更成熟和稳定的神经网络功能特征。在进一步的体内概念验证中，研究团队将NEAT构建的取向结构，移植至大鼠T9至T10节段全横断脊髓损伤模型。

结果显示，在复杂的生理力学环境、炎症反应及组织重塑过程中，取向打印结构仍可长期保持其空间取向特征，并作为稳定的物理模板参与组织重建。与此同时，与非取向对照组相比，取向打印组在轴突跨越损伤区连续生长、神经元重连、髓鞘形成及血管新生等方面，均表现出系统性优势。

据介绍，NEAT技术通过剪切应力场对材料组装过程的精确调控，为高含水、低模量软组织中构建具有空间异质性的微环境提供了通用制造手段。该策略可在同一三维结构中，实现取向梯度、结构分区及力学差异的协同设计，为模拟天然软组织中复杂、非均一的结构特征提供了工程化支撑。同时，NEAT实现了从纳米纤维、微米级纤维束到厘米级三维构型的连续有序组装，为软性材料体系中多层级结构一致性构建提供了可扩展的制造度量，并为复杂结构-功能关系研究及高维度生物制造奠定了技术基础。（青云）