加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的工程團(tuán)隊(duì)和神經(jīng)科學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了一項(xiàng)研究，通過(guò)3D打印植入物修復(fù)脊髓損傷患者的神經(jīng)連接和喪失的運(yùn)動(dòng)功能。3D打印植入物起到的作用是通過(guò)微通道結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞和軸突沿著脊髓損傷的長(zhǎng)度生長(zhǎng)。目前，這項(xiàng)研究已經(jīng)開(kāi)展了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，并展示出了良好的應(yīng)用前景。

填充神經(jīng)干細(xì)胞的3D打印支架

     在研究中使用的植入物是一種水凝膠結(jié)構(gòu)，它是研究人員通過(guò)3D打印技術(shù)創(chuàng)建的模仿中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的支架，它們可以通過(guò)3D打印技術(shù)快速制造成不同的尺寸和形狀，以適應(yīng)患者脊髓損傷的精確解剖。

     研究人員用神經(jīng)干細(xì)胞填充3D打印植入物/支架，然后將它們像缺失的拼圖一樣裝入脊髓損傷部位。3D打印支架就像橋一樣，將脊髓損傷一端的再生軸突與另一端連接并對(duì)齊。神經(jīng)軸突本身可以向任何方向擴(kuò)散和再生，但是支架使軸突保持整齊，引導(dǎo)它們朝正確的方向生長(zhǎng)以完成脊髓連接。

4厘米的3D打印脊椎植入物，圖片：UC San Diego。

     植入物含有數(shù)十個(gè)微小的200微米寬的通道（人類頭發(fā)寬度的兩倍），該結(jié)構(gòu)可引導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞和軸突沿著脊髓損傷的長(zhǎng)度生長(zhǎng)。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的快速3D打印技術(shù)僅需1.6秒即可生成2毫米大小的植入物。 根據(jù)應(yīng)用需要，這一快速3D打印技術(shù)還可以制造與人體脊椎結(jié)構(gòu)尺寸相當(dāng)?shù)闹踩胛铩Ｗ鳛楦拍铗?yàn)證，研究人員3D打印了4厘米大小的植入物，打印時(shí)間約為10分鐘。這些植入物是根據(jù)實(shí)際人體脊髓損傷部位的MRI掃描影像定制化設(shè)計(jì)的。

  在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，研究人員將填充神經(jīng)干細(xì)胞的3D打印植入物（2mm）移植到大鼠嚴(yán)重脊髓損傷部位。幾個(gè)月后，新的脊髓組織完全再生，并連接大鼠脊髓的切斷末端。經(jīng)處理的大鼠后腿的運(yùn)動(dòng)功能有所改善。中國(guó)3D打印網(wǎng)了解到該動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)具有積極意義的結(jié)果是，經(jīng)處理的大鼠的循環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)穿透植入物內(nèi)部以形成功能性的血管網(wǎng)絡(luò)，這有助于神經(jīng)干細(xì)胞存活，人工組織需要血管系統(tǒng)才能獲得足夠的營(yíng)養(yǎng)并排出廢物。

     以上研究涉及到工程和脊髓神經(jīng)再生這兩項(xiàng)交叉學(xué)科。工程團(tuán)隊(duì)一直致力于開(kāi)發(fā)下一代用于制造細(xì)微仿生結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)過(guò)去曾使用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)制造肝臟組織和錯(cuò)綜復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)，他們正在進(jìn)行的項(xiàng)目之一為制造人工心臟組織。負(fù)責(zé)脊髓再生的研究團(tuán)隊(duì)，已從事嚴(yán)重脊髓損傷修復(fù)研究超過(guò)10年，就在今年該團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)除了一系列新的脊髓神經(jīng)干細(xì)胞。

      研究團(tuán)隊(duì)下一步的科研目標(biāo)是將這種填充脊髓干細(xì)胞的3D打印植入物用于更大的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，為將來(lái)的人體試驗(yàn)做準(zhǔn)備。接下來(lái)的研究中，研究團(tuán)隊(duì)還將在脊髓支架內(nèi)摻入蛋白質(zhì)，進(jìn)一步刺激干細(xì)胞存活和軸突生長(zhǎng)。

與這項(xiàng)研究相關(guān)的論文發(fā)表于2019年1月14日的Nature Medicine雜志，作者包括Shaochen Chen，Mark Tuszynski等。