科學(xué)家們使用3D打印技術(shù)在1.6秒內(nèi)制作出脊髓植入物

這種3D打印的2毫米植入物被用作支架來修復(fù)大鼠的脊髓損傷。H形脊髓周圍的點(diǎn)是中空的通道，植入的神經(jīng)干細(xì)胞可以通過它們將軸突延伸到組織中。

3D生物打印技術(shù)——通過打印下細(xì)胞層和其他材料來構(gòu)建組織——已經(jīng)可以制造出包括角膜、皮膚和血管等在內(nèi)的人類組織。

現(xiàn)在，加州大學(xué)圣地亞哥分校的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在更上一層樓。上周發(fā)表在Nature Medicine上的一篇論文中，該研究團(tuán)隊(duì)介紹了一種3D打印出來的脊髓植入物，這種植入物能使脊髓損傷的大鼠恢復(fù)后肢功能。

據(jù)作者介紹，這是首次對(duì)復(fù)雜的中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D打印。它是通過一種稱為微尺度連續(xù)投影打印（μCPP）的先進(jìn)生物打印方法實(shí)現(xiàn)的，利用該方法打印生物材料，比傳統(tǒng)的3D打印方法快近1000倍，且分辨率更高。

該論文的共同作者、加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系副主席、將生物打印技術(shù)商業(yè)化的初創(chuàng)公司Allegro 3D的聯(lián)合創(chuàng)始人Shaochen Chen說，最終目標(biāo)是制造一種個(gè)性化的植入物，它能幫助修復(fù)受傷的脊髓，然后降解消失?！霸谄涔ぷ鹘Y(jié)束時(shí)，我們希望你的脊髓功能完全正常，而且沒有別的什么東西留在那里。”

脊柱不容易修復(fù)，這就是為什么脊髓損傷如此具有破壞性并經(jīng)常導(dǎo)致永久性癱瘓的原因。部分挑戰(zhàn)是脊髓神經(jīng)的細(xì)長束狀軸突脆弱且挑剔。這些軸突對(duì)植入物或其他修復(fù)系統(tǒng)中使用的材料高度敏感。在過去的研究中，軸突甚至?xí)ㄟ^在一種材料周圍生長或回到原來的狀態(tài)來避開這種材料。

Chen、神經(jīng)科學(xué)家Mark Tuszynski及其同事們測(cè)試了許多材料，看哪些材料與脊髓軸突最相容，最后選擇了一種叫做聚乙二醇明膠甲基丙烯酸酯的水凝膠。使用這種水凝膠，他們?cè)O(shè)計(jì)并打印了一個(gè)看起來像一塊一便士厚的橢圓形瑞士奶酪的大鼠脊髓支架。

為了模擬無軸突的灰質(zhì)，支架內(nèi)部的H形部分是實(shí)心的。為了模擬軸突會(huì)穿過的白質(zhì)，支架靠外的部分包含多個(gè)200微米的微通道，它們?nèi)缢淼酪粯觼硪龑?dǎo)神經(jīng)。

Chen說，使用傳統(tǒng)噴墨或擠壓式生物打印方法無法制造出這些通道，因?yàn)檫@些方法打印分辨率僅能到200μm?！爱?dāng)你放下一滴材料時(shí)，那就已經(jīng)是200μm了。你不可能打印出一個(gè)200μm的小孔?！彼f。而μCPP的打印分辨率可以到1μm。

在打印過程結(jié)束后，該研究團(tuán)隊(duì)在微通道中注入神經(jīng)干細(xì)胞，以促進(jìn)軸突的生長。

還記得我在前面提到的速度嗎？μCPP方法的打印速度很快。傳統(tǒng)的噴頭打印機(jī)可能需要幾個(gè)小時(shí)才能制作出個(gè)性化的2毫米植入物。而μCPP在1.6秒內(nèi)就可以完成。

方法如下：μCPP不是像噴墨3D打印機(jī)那樣鋪設(shè)單個(gè)液滴，而是將UV光照射到材料（這里是水凝膠和神經(jīng)干細(xì)胞的混合物）的整個(gè)平面上。在數(shù)字圖像的引導(dǎo)下，光線將液體材料融合在一起，形成一個(gè)打印者自己選擇的固體形狀。因此，μCPP不是逐滴或逐點(diǎn)形成結(jié)構(gòu)，而是在一次連續(xù)的打印中創(chuàng)建出一個(gè)復(fù)雜的由水凝膠和神經(jīng)干細(xì)胞構(gòu)成的支架。

照片來源：David Baillot/加州大學(xué)圣地亞哥分校

加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員制作了一個(gè)4厘米長的、可匹配人體脊髓損傷的植入物。

為了證明該技術(shù)可以擴(kuò)展應(yīng)用到人身上，Chen的團(tuán)隊(duì)還利用真實(shí)的MRI掃描結(jié)果打印出了與人類脊髓損傷大小和形狀相匹配的支架。這些大約4厘米高的人體植入物僅需10分鐘即可打印出來。

回到大鼠身上。借助植入物，當(dāng)軸突穿過微通道生長并進(jìn)入下脊髓時(shí)，大鼠脊柱在四周內(nèi)緩慢修復(fù)。Chen說，這些支架在四周的時(shí)候還保持著原有的形狀，然后在接下來的五個(gè)月里開始降解，這期間并沒有發(fā)現(xiàn)任何炎癥跡象。

與使用空支架或根本沒用支架的動(dòng)物相比，植入富含干細(xì)胞的植入物的大鼠其后肢功能獲得了明顯恢復(fù)。

該團(tuán)隊(duì)還使用μCPP方法制作了具有復(fù)雜微結(jié)構(gòu)和血管的人體肝臟組織。

對(duì)于脊髓植入物，Chen說：“我們想對(duì)材料和結(jié)構(gòu)做更多的基礎(chǔ)研究，之后我們將在規(guī)劃臨床試驗(yàn)之前進(jìn)行更大規(guī)模的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)”。他預(yù)計(jì)人體實(shí)驗(yàn)會(huì)在五年內(nèi)開始。