供稿人：李翏合、高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2025-03-13
神經(jīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)人類所有自主和非自主活動，具有極為復(fù)雜的生理特性。但神經(jīng)系統(tǒng)損傷后的內(nèi)在再生能力較低，自發(fā)恢復(fù)僅限于很短的距離。且生長中的神經(jīng)軸突組織依賴于其他細胞和組織結(jié)構(gòu)提供的物理或化學(xué)引導(dǎo)線索來實現(xiàn)軸突的定向生長。因此，為了實現(xiàn)3D定向軸突生長，需要在工程結(jié)構(gòu)中包含類似的引導(dǎo)線索。而傳統(tǒng)制造技術(shù)在這方面存在局限性，例如支架制造過程復(fù)雜、支架不透明以及剛性會阻礙神經(jīng)元的生長和引發(fā)損傷等。
針對以上問題，芬蘭坦佩雷大學(xué)的研究人員利用多材料3D生物打印技術(shù)開發(fā)了一種新型的透明質(zhì)酸（HA）基水凝膠結(jié)構(gòu)，用于體外指導(dǎo)軸突生長和模擬神經(jīng)支配。研究人員通過控制交聯(lián)成分的濃度獲得了兩種硬度不同的HA基生物墨水。通過將兩種生物墨水交替打印，形成平行排列的纖維實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的制造。其中軟纖維內(nèi)含神經(jīng)生長因子（NGF）和層粘連蛋白，促進軸突延伸，而硬纖維則提供結(jié)構(gòu)支持和接觸引導(dǎo)。
實驗結(jié)果表明，軟生物墨水在補充NGF和層粘連蛋白后，能夠更好地支持三維神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的形成。此外，通過調(diào)整生物墨水的力學(xué)性能和粘度差異，研究人員成功地在體外培養(yǎng)14天內(nèi)實現(xiàn)周圍神經(jīng)元的完全神經(jīng)支配。這一模型不僅能夠模擬健康和疾病狀態(tài)下的三維神經(jīng)支配和軸突動態(tài)，還有望用于藥物篩選和疾病模型的構(gòu)建。
該研究的創(chuàng)新之處在于，它不僅提供了一個精確控制細胞、生物材料和生物活性因子空間定位的方法，而且還能夠模擬人類組織和器官的動態(tài)特性。通過使用人類多能干細胞衍生的神經(jīng)元，研究人員能夠在完全基于人類細胞的環(huán)境中模擬神經(jīng)支配，這對于理解人類神經(jīng)系統(tǒng)的功能和病理具有重要意義。這項研究展示了3D生物打印技術(shù)在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，特別是在模擬復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能方面。通過精確控制生物墨水的物理和化學(xué)特性，研究人員能夠創(chuàng)建出能夠引導(dǎo)軸突生長的三維結(jié)構(gòu)，這對于神經(jīng)組織工程和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究和治療具有重要的科學(xué)和臨床價值。
圖1 周圍神經(jīng)元支配軸突引導(dǎo)結(jié)構(gòu)在體外實驗7天和14天時軟生物墨水隧道中軸突的神經(jīng)支配程度