1月20日消息，據(jù)《細(xì)胞-干細(xì)胞》（Cell Stem Cell）報(bào)道稱，在生物制造與組織工程領(lǐng)域，如何在超軟、高含水的三維材料體系中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可控的空間取向結(jié)構(gòu)，是制約復(fù)雜功能組織構(gòu)建的核心難題之一。傳統(tǒng)打印因難以兼顧結(jié)構(gòu)成形性、取向一致性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性，限制了其在神經(jīng)等高度各向異性軟組織構(gòu)建中的應(yīng)用。

近日，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所等研究團(tuán)隊(duì)，提出并系統(tǒng)驗(yàn)證了基于剪切應(yīng)力場(chǎng)調(diào)控的生物3D打印新策略——NEAT，為軟組織跨尺度取向結(jié)構(gòu)制造提供了工程化解決方案。

資料顯示，天然細(xì)胞外基質(zhì)材料具有良好的生物相容性，但其在生理?xiàng)l件下，自組裝動(dòng)力學(xué)緩慢、力學(xué)穩(wěn)定性弱，難以支撐高含水狀態(tài)下的三維成型與長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)保持。

因此，研究團(tuán)隊(duì)提出了NEAT生物打印策略，即將材料層級(jí)組裝過程直接嵌入打印制造環(huán)節(jié)本身，在保留I型膠原三螺旋結(jié)構(gòu)和天然生物活性的前提下，通過降冰片烯化學(xué)修飾引入快速光交聯(lián)能力。隨后，研究團(tuán)隊(duì)利用擠出打印噴嘴內(nèi)形成的可控剪切應(yīng)力場(chǎng)，在材料沉積過程中同步誘導(dǎo)膠原纖維發(fā)生定向重排與層級(jí)組裝。通過系統(tǒng)調(diào)控噴嘴直徑、擠出壓力、打印速度及溫度等工程參數(shù)，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了50nm—200nm尺度膠原納米纖維的定向排列、微米級(jí)纖維束的連續(xù)組裝、厘米級(jí)三維結(jié)構(gòu)的整體取向一致性構(gòu)建。

在體外功能驗(yàn)證中，NEAT策略構(gòu)建的取向結(jié)構(gòu)為人神經(jīng)干細(xì)胞提供了高度仿生的物理微環(huán)境。與非取向打印對(duì)照相比，取向結(jié)構(gòu)明顯提升了神經(jīng)干細(xì)胞沿打印方向排列和定向分化的能力，且具有神經(jīng)元特征的細(xì)胞比例明顯提高，向打印構(gòu)建的神經(jīng)組織表現(xiàn)出更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)同步振蕩活動(dòng)、更高的神經(jīng)元自發(fā)放電頻率，以及更大的電壓門控鈉電流峰值，整體呈現(xiàn)出更成熟和穩(wěn)定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能特征。在進(jìn)一步體內(nèi)概念驗(yàn)證中，研究團(tuán)隊(duì)將NEAT構(gòu)建的取向結(jié)構(gòu)，移植至大鼠T9至T10節(jié)段全橫斷脊髓損傷模型。

結(jié)果顯示，在復(fù)雜的生理力學(xué)環(huán)境、炎癥反應(yīng)及組織重塑過程中，取向打印結(jié)構(gòu)仍可長(zhǎng)期保持其空間取向特征，并作為穩(wěn)定的物理模板參與組織重建。同時(shí)，與非取向?qū)φ战M相比，取向打印組在軸突跨損傷區(qū)連續(xù)生長(zhǎng)、神經(jīng)元重連、髓鞘形成及血管新生等方面，均表現(xiàn)出系統(tǒng)性優(yōu)勢(shì)。

據(jù)介紹，NEAT技術(shù)通過剪切應(yīng)力場(chǎng)對(duì)材料組裝過程的精確調(diào)控，為高含水、低模量軟組織中構(gòu)建具有空間異質(zhì)性的微環(huán)境提供了通用制造手段，且該策略可在同一三維結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)取向梯度、結(jié)構(gòu)分區(qū)及力學(xué)差異的協(xié)同設(shè)計(jì)，為模擬天然軟組織中復(fù)雜、非均一的結(jié)構(gòu)特征提供了工程化支撐。同時(shí)，NEAT實(shí)現(xiàn)了從納米纖維、微米級(jí)纖維束到厘米級(jí)三維構(gòu)型的連續(xù)有序組裝，為軟性材料體系中多層級(jí)結(jié)構(gòu)一致性構(gòu)建提供了可擴(kuò)展的制造測(cè)量，并為復(fù)雜結(jié)構(gòu)—功能關(guān)系研究及高維度生物制造奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。