用于脊髓損傷修復(fù)的3D打印仿生支架

作者：郝志巖、王玲

美國(guó)有超過(guò)50萬(wàn)人患有脊髓損傷，3D打印植入物有助于恢復(fù)脊髓損傷患者的神經(jīng)連接和運(yùn)動(dòng)功能。傳統(tǒng)生物組織3D打印的方法不能很好地構(gòu)建復(fù)雜的3D微結(jié)構(gòu)，而這些微結(jié)構(gòu)對(duì)于誘導(dǎo)細(xì)胞生長(zhǎng)和促進(jìn)組織成熟至關(guān)重要。由加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的工程師和神經(jīng)科學(xué)家開(kāi)發(fā)的植入物，可誘導(dǎo)新的神經(jīng)細(xì)胞在脊髓創(chuàng)傷斷面部位定向生長(zhǎng)。他們使用微尺度連續(xù)投影打印方法（μCPP）來(lái)制造復(fù)雜的中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，μCPP可以在1.6秒內(nèi)打印適合嚙齒動(dòng)物脊髓尺寸的3D仿生水凝膠支架（2mm），并且可以擴(kuò)展到人類脊髓大小和病變幾何形狀，如圖1。

圖1 3D打印仿生脊髓結(jié)構(gòu)

研究人員用神經(jīng)干細(xì)胞填充植入物，植入物含有數(shù)十個(gè)200微米寬的通道（人類頭發(fā)寬度的兩倍），可誘導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞和軸突沿著脊髓損傷的方向生長(zhǎng)。然后將它們像拼圖一樣裝入脊髓損傷部位。它將脊髓損傷一端的再生軸突與另一端對(duì)齊，軸突本身可以向任何方向擴(kuò)散和再生，但是支架使軸突保持整齊，誘導(dǎo)它們朝正確的方向生長(zhǎng)以完成脊髓連接。

研究人員將裝有神經(jīng)干細(xì)胞的2mm脊髓支架種植到到大鼠嚴(yán)重脊髓損傷部位。幾個(gè)月后，新的脊髓組織在損傷后完全再生，并連接大鼠脊髓損傷的神經(jīng)末端，經(jīng)修復(fù)手術(shù)的大鼠后腿運(yùn)動(dòng)功能顯著恢復(fù)，如圖2。

圖2 3D打印仿生脊髓支架體內(nèi)性能實(shí)驗(yàn)（4周）

血管化是組織工程植入物長(zhǎng)期存在于體內(nèi)的主要障礙之一，經(jīng)過(guò)手術(shù)的大鼠脊髓支架內(nèi)部可形成循環(huán)系統(tǒng)和功能性的血管網(wǎng)絡(luò)，這有助于神經(jīng)干細(xì)胞存活，通過(guò)脈管系統(tǒng)能獲得足夠的營(yíng)養(yǎng)并排出廢物。

這項(xiàng)技術(shù)可擴(kuò)展至人脊髓尺寸，作為概念驗(yàn)證，研究人員打印了4cm大小的脊髓支架，這些脊髓支架是根據(jù)實(shí)際人體脊髓損傷的MRI掃描建模的，并可以在10分鐘內(nèi)打印出來(lái)。研究人員的下一步是將蛋白質(zhì)摻入支架中，這將有助于在植入支架后保持干細(xì)胞存活。他們希望盡快對(duì)患有脊髓損傷的人類患者進(jìn)行臨床試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：
Koffler J, Zhu W, Qu X, et al. Biomimetic 3D-printed scaffolds for spinal cord injury repair[J]. Nature medicine, 2019: 1.

作者：郝志巖、王玲
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室