脊髓損傷（SCI）是一種嚴(yán)重的中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷性疾病，全球每年因病致殘的人數(shù)較多，其臨床癥狀表現(xiàn)為脊髓損傷段位以下局部甚至全部肢體感覺以及運(yùn)動(dòng)功能暫時(shí)或永久性喪失。脊髓損傷后發(fā)生一系列反應(yīng)（如神經(jīng)細(xì)胞大量死亡、缺血、炎癥反應(yīng)及膠質(zhì)瘢痕的形成），導(dǎo)致其臨床治療面臨挑戰(zhàn)。

近年來，生物3D打印技術(shù)的快速發(fā)展為脊髓損傷修復(fù)提供了新策略。將生物材料、細(xì)胞及生物活性因子等組成的生物墨水進(jìn)行活細(xì)胞打印，通過精確調(diào)控生物墨水中各組分比例及打印條件，能夠更好地模擬組織或器官的力學(xué)性能、生理結(jié)構(gòu)和生物功能，從而實(shí)現(xiàn)組織/器官的快速精準(zhǔn)制造與損傷修復(fù)。由于神經(jīng)干細(xì)胞（NSCs）的敏感性和脆弱性，基于NSCs的生物3D打印存在可選擇的生物墨水種類少、生物打印過程繁瑣、打印后細(xì)胞存活率低、細(xì)胞-支架相互作用弱等問題，從而限制了其在SCI治療中的應(yīng)用。

針對上述挑戰(zhàn)，中國科學(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)利用生物3D打印技術(shù)，構(gòu)建了一種具有脊髓仿生結(jié)構(gòu)的神經(jīng)支架，為NSCs的存活及向神經(jīng)元分化提供了良好的微環(huán)境，應(yīng)用于SD大鼠的脊髓損傷治療（圖1）。該治療策略中，研究人員創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)、制備出由羥丁基殼聚糖（HBC）、巰基透明質(zhì)酸（HA-SH）、二乙烯砜基透明質(zhì)酸（HA-VS）及基質(zhì)膠（MA）組成的具有良好可打印性和生物相容性的生物墨水HBC/HA/MA。利用HBC優(yōu)異的溫度響應(yīng)性及HA-SH與HA-VS間邁克爾加成反應(yīng)的自發(fā)二次交聯(lián)，“一步法”實(shí)現(xiàn)了負(fù)載NSCs的神經(jīng)支架生物3D打印。打印過程流暢、打印線條固化速度快（37 ℃ 20 s內(nèi)成膠）、成型后的支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、打印后支架內(nèi)NSCs的存活率可達(dá)95%。隨后，研究人員通過優(yōu)化生物信號（MA）、力學(xué)性能、孔徑大小等因素，有效增強(qiáng)了細(xì)胞-細(xì)胞以、細(xì)胞-支架之間的相互作用，從而顯著促進(jìn)了NSCs向神經(jīng)元分化。在此基礎(chǔ)上，研究人員考察了該3D神經(jīng)支架在SCI大鼠中對脊髓損傷的修復(fù)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在3D打印支架的保護(hù)下植入的NSCs在體內(nèi)存活時(shí)間長達(dá)12周，并且分化成神經(jīng)元，形成神經(jīng)纖維，實(shí)現(xiàn)軸突再生，從而改善了SCI大鼠后肢運(yùn)動(dòng)功能（圖2）。

該研究為生物3D打印快速精準(zhǔn)構(gòu)建神經(jīng)仿生支架及其在脊髓損傷修復(fù)等再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一種新策略。相關(guān)研究成果以3D bioprinted neural tissue constructs for spinal cord injury repair為題，發(fā)表在Biomaterials上。蘇州納米所博士生劉曉云為論文第一作者，張智軍和副研究員黃潔為論文的共同通訊作者。研究工作得到中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員戴建武和蘇州納米所研究員張珽的支持，獲得中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的資助。

圖1.（a）HBC/HA/MA生物墨水中發(fā)生的交聯(lián)反應(yīng)；（b）生物3D打印仿脊髓結(jié)構(gòu)神經(jīng)支架用于脊髓損傷修復(fù)示意圖

圖2.（a）生物打印脊髓結(jié)構(gòu)NSCs支架移植入脊髓全橫斷SD大鼠體內(nèi)；（b）手術(shù)移植后12周，SCI大鼠后肢運(yùn)動(dòng)BBB評分；（c）生物打印支架內(nèi)NSCs分化為神經(jīng)元以及少突膠質(zhì)細(xì)胞的免疫熒光染色圖