基于3D打印構(gòu)建的類脊髓仿生支架

脊髓損傷（SCI）是嚴(yán)重的中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷性疾病。損傷后大腦和周圍器官之間的神經(jīng)連接中斷，導(dǎo)致?lián)p傷節(jié)段以下的感覺和運(yùn)動(dòng)功能喪失，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，并對(duì)家庭和社會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。SCI的臨床治療方式主要包括手術(shù)治療、藥物治療和康復(fù)治療等。盡管治療技術(shù)有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但恢復(fù)患者的感覺和運(yùn)動(dòng)功能仍是巨大挑戰(zhàn)。 ?

組織工程技術(shù)的迅速發(fā)展，為SCI修復(fù)提供了新策略。當(dāng)前，具有特定物理和生物功能的神經(jīng)支架被廣泛開發(fā)，在植入后支架能夠?yàn)槭軗p脊髓組織提供力學(xué)支撐，引導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞生長(zhǎng)，改善損傷處微環(huán)境，并促進(jìn)SCI的修復(fù)。為達(dá)到理想的治療效果，組織工程支架應(yīng)仿生天然脊髓的組織結(jié)構(gòu)和生理功能，并針對(duì)SCI的病理生理特征對(duì)細(xì)胞和生物材料的沉積進(jìn)行精確調(diào)控。由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)組織工程方法難以模擬脊髓組織生理結(jié)構(gòu)，從而限制了治療效果。? ? 運(yùn)用生物3D打印技術(shù)精確控制材料與細(xì)胞的分布，構(gòu)建具有類脊髓組織結(jié)構(gòu)和生理功能的仿生支架，植入損傷部位，是解決這一問(wèn)題的有效途徑。生物3D打印是將生物材料和細(xì)胞、細(xì)胞因子等按組織功能、細(xì)胞特定微環(huán)境等要求，用3D打印制造出具有個(gè)性化的體外三維模型的一種技術(shù)。 ?

近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張智軍團(tuán)隊(duì)采用擠出式生物3D打印制備了負(fù)載神經(jīng)干細(xì)胞（NSC）的支架。結(jié)果表明，在支架的保護(hù)下，植入的NSC在體內(nèi)存活時(shí)間長(zhǎng)達(dá)12周，并分化成神經(jīng)元，形成神經(jīng)纖維，實(shí)現(xiàn)軸突再生，顯著改善SCI大鼠后肢運(yùn)動(dòng)功能（Biomaterials?2021，272，120771；Acta Biomaterialia?2022，10.1016/j.actbio.2022.08.031）。而目前開發(fā)的仿生支架仍以模擬脊髓神經(jīng)束的平行排列結(jié)構(gòu)為主，缺乏對(duì)于脊髓組織的電生理功能的仿生，難以滿足脊髓神經(jīng)電信號(hào)傳導(dǎo)的要求。 ?

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于甲基丙烯?；髂z（GelMA）、甲基丙烯?；该髻|(zhì)酸（HAMA）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：磺化木質(zhì)素（PEDOT:LS）的新型導(dǎo)電水凝膠（圖1）。其中，GelMA/HAMA模擬神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞外基質(zhì)，為支架提供力學(xué)支撐，并為NSC提供適合的生長(zhǎng)環(huán)境；PEDOT是一類導(dǎo)電性高、生物相容性好的導(dǎo)電高分子，LS的摻雜有效提高了PEDOT的分散性。PEDOT:LS的引入顯著提高支架的導(dǎo)電性，使得支架的電導(dǎo)率與天然脊髓白質(zhì)相當(dāng)（0.60S/m）。


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圖1 生物3D打印導(dǎo)電脊髓仿生支架促進(jìn)脊髓損傷修復(fù)的示意圖? ? 通過(guò)精確調(diào)節(jié)光固化時(shí)間，水凝膠顯示出與脊髓組織相似的機(jī)械性能（儲(chǔ)能模量≈ 1KPa），且其多孔結(jié)構(gòu)與溶脹特性適合于NSC的生長(zhǎng)（圖2）。將導(dǎo)電水凝膠前驅(qū)體溶液與NSC共混制備生物墨水，通過(guò)擠出式生物3D打印技術(shù)制備導(dǎo)電脊髓仿生支架。打印后，NSC的存活率超過(guò)90%，并能夠在支架內(nèi)展現(xiàn)良好的增殖行為。 ?



圖2 導(dǎo)電水凝膠的性能表征：A、儲(chǔ)能模量與損耗模量；B、溶脹率；C、SEM照片；D、電導(dǎo)率；E、阻抗譜 ? 更重要的是，與非導(dǎo)電支架相比，導(dǎo)電支架顯著促進(jìn)NSC向神經(jīng)元的分化（圖3）。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建大鼠脊髓全橫斷模型，植入仿生支架推進(jìn)了SCI大鼠后肢運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。損傷斷面處免疫熒光染色結(jié)果進(jìn)一步表明，導(dǎo)電仿生支架有效促進(jìn)了損傷部位神經(jīng)元的再生，減少了膠質(zhì)瘢痕的沉積，并推動(dòng)了神經(jīng)軸突的再生和髓鞘化（圖4）。本研究開發(fā)的導(dǎo)電脊髓仿生支架，為SCI的修復(fù)提供了新策略。

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圖3 導(dǎo)電水凝膠支架促進(jìn)NSC向神經(jīng)元分化：A、NSC向神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞分化的免疫熒光染色；B、NSC分化的定量統(tǒng)計(jì)結(jié)果? ?




圖4 導(dǎo)電仿生支架促進(jìn)脊髓損傷部位神經(jīng)元再生：損傷截面處GFAP、Tuj-1、MAP2和NF免疫熒光染色和表達(dá)量統(tǒng)計(jì)? ??




審核編輯：劉清