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科学家开发出新型生物3D打印技术

2026/01/22

文章导读
想象一下,让瘫痪的脊髓像高速公路一样,引导神经精准再生与重建。这正是中国科学院团队最新突破的核心:他们开发的NEAT生物3D打印技术,成功破解了在超软、高含水材料中构建稳定取向结构的世纪难题。这项技术不仅能打印出高度仿生、定向排列的神经支架,更在大鼠脊髓全横断损伤模型中,验证了其促进轴突再生、重建神经网络功能的强大潜力。它为修复复杂软组织损伤,打开了一扇全新的工程化大门。
— 内容由好学术AI分析文章内容生成,仅供参考。

在生物制造与组织工程领域,如何在超软、高含水的三维材料体系中实现稳定、可控的空间取向结构,是制约复杂功能组织构建的核心难题之一。传统打印因难以兼顾结构成形性、取向一致性与长期稳定性,限制了其在神经等高度各向异性软组织构建中的应用。近日,中国科学院动物研究所等研究团队,提出并系统验证了基于剪切应力场调控的生物3D打印新策略——NEAT,为软组织跨尺度取向结构制造提供了工程化解决方案。

天然细胞外基质材料具有良好的生物相容性,但其在生理条件下,自组装动力学缓慢、力学稳定性弱,难以支撑高含水状态下的三维成型与长期结构保持。因此,研究团队提出了NEAT生物打印策略,即将材料层级组装过程直接嵌入打印制造环节本身,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,研究团队利用挤出打印喷嘴内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。通过系统调控喷嘴直径、挤出压力、打印速度及温度等工程参数,研究团队实现了50nm—200nm尺度胶原纳米纤维的定向排列、微米级纤维束的连续组装、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神经干细胞提供了高度仿生的物理微环境。与非取向打印对照相比,取向结构明显提升了神经干细胞沿打印方向排列和定向分化的能力,且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。同时,与非取向对照组相比,取向打印组在轴突跨损伤区连续生长、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。

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,且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测量,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。

相关研究成果发表在《细胞-干细胞》(Cell Stem Cell)上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院等的支持。

科学家开发出新型生物3D打印技术

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