清华大学：3D打印类神经纤维成功修复脊髓全断大鼠运动功能

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2023-05-2518:21近期，清华大学材料学院王秀梅研究员和北京清华长庚医院王贵怀教授在科爱创办的期刊BioactiveMaterials上联合发表研究论文：3D打印类神经纤维成功修复脊髓全断大鼠运动功能。研究通过生物3D打印技术，结合类天然细胞外基质水凝胶和神经干细胞成功制备了一种有生命的类神经纤维，可作为移植物进行修复治疗，在大鼠体内成功证实了该3D打印类神经纤维可有效促进脊髓损伤后的神经再生与运动功能重建。

1、研究内容简介

脊髓损伤修复是一项世界性的医学难题，通常会导致永久性神经功能障碍，目前仍缺乏理想的治疗方法。当前，基于生物材料的再生医学策略已受到广泛关注。特别是，通过生物材料与细胞的原位组装形成有生命的仿生微组织，重现天然组织的细胞与细胞、细胞与基质间复杂的相互作用。作为组织工程与再生医学领域的革命性技术，生物3D打印在以自下而上的组装方式构建仿生类组织方面大有可为，且已广泛应用于体外疾病模型构建与药物筛选，而作为移植物用于组织再生修复的巨大潜力仍待开发。本研究基于生物3D打印技术成功制备了一种有生命的类神经纤维，该纤维由类似于天然细胞外基质的水凝胶包裹着高密度的神经干细胞组成，纤维定向排列并组装为精准适配脊髓损伤区域大小的微型类组织，可作为移植物进行修复治疗（图1）。

图1：“活”的类神经纤维制造及功能示意图

考虑到中枢神经系统中主要的天然细胞外基质（ECM）成分，本研究设计了一种由明胶和透明质酸组成的类天然ECM混合水凝胶。明胶和透明质酸主链用甲基丙烯酰基化学功能化合成GelMA和HAMA，通过碳-碳双键共价结合在一起（1640cm-1)在光聚合后形成混合网络。GelMA(5%w/v)和HAMA(1%w/v)的复合溶液在25-28°C附近表现出明显的温度响应行为，表现为粘度急剧下降和28°C下的溶胶-凝胶转变。同时，GelMA/HAMA溶液在28°C时表现出典型的剪切稀化行为，这对于保护细胞在印刷过程中免受剪切力损伤是必要的。此外，GelMA/HAMA溶液在紫外线(UV)照射下可快速凝胶化。因此，结合热交联和光交联，GelMA/HAMA溶液可作为理想的生物墨水以高分辨率打印成各种定制结构。本研究基于挤出式生物3D打印技术，以包载高密度神经干细胞（NSC）的GelMA/HAMA类细胞外基质材料作为生物墨水，一体化组装为类神经纤维仿生定向纤维结构支架，并通过体外细胞表征证实了明胶与透明质酸可作为生物墨水的仿生基质成分调控包载的NSC的体外行为，例如长期保持活力、神经元方向分化、活跃的细胞间通讯等（图2）。

图2：生物墨水的可打印性表征及“活”的类神经纤维体外功能性表征

本研究进一步构建了大鼠脊髓4mm全横断损伤模型，并将可精确适应脊髓缺损的3D打印类神经纤维支架植入大鼠的脊髓损伤区域，验证该支架对大鼠脊髓损伤修复的促进作用。结果证实，植入体内的类神经纤维可以显著改善脊髓损伤后的抑制性微环境，炎症细胞从促炎态转变为促再生态，有效促进植入NSC长期存活并分化为功能性神经元，与宿主神经元整合并形成突触连接，重塑神经回路，从而实现脊髓长距离横断后的脊髓神经回路重建和运动功能恢复（图3）。

总的来说，此研究利用3D生物打印构建的类神经纤维展现出极其优越的神经再生能力。基于3D生物打印技术的可定制性，该策略可为个性化修复脊髓损伤提供新视角，具有重要意义。

图3：“活”的类神经纤维的体内修复及再生功能性评价

2、论文第一/通讯作者简介

第一作者：杨嘉

清华大学材料学院、再生医学与仿生研究所2019级博士研究生。从事生物3D打印以及神经修复材料的研发工作。

共同第一作者：杨凯元

清华大学附属北京清华长庚医院神经外科医师。从事脊髓损伤修复研究工作。

通讯作者：王秀梅

清华大学材料学院教授，研究员，博士研究生导师，再生医学与仿生研究所所长，为先书院副院长。主要从事生物材料基础研究及生物医用材料产品开发，主要包括：多模态神经组织再生修复材料的设计与开发，多维仿生矿化材料及组织再生修复研究以及生物医用材料的临床转化及医疗器械产品开发。在国际期刊发表生物材料相关SCI论文180余篇，曾荣获2011年度国家自然科学二等奖、2014年度山东省科技进步一等奖、2021年中国材料研究学会科学技术一等奖、2021年中华医学科技奖一等奖、2021年北京市科学技术进步二等奖等重要奖项。现担任中国生物材料学会神经修复材料分会主任委员，中国生物材料学会常务理事，中国材料研究会青年工作委员会副秘书长，中国硅酸盐学会特种陶瓷分会理事等重要学会职务。

通讯作者：王贵怀

清华大学附属北京清华长庚医院神经中心主任，主任医师，教授，博士研究生导师。长期致力于脊髓损伤、脊髓脊柱肿瘤、先天性脊髓脊柱发育畸形等疾病的基础与临床研究。王贵怀教授目前每年完成脊柱脊髓手术近500例，并开展了脊髓损伤治疗的临床试验研究。先后承担国家重点研发计划、国家自然科学基金、首都临床特色基金、中国抗癌协会基金及临床研究10余项，先后发表学术和会议论文百余篇。目前担任中国医师协会神经外科医师分会脊髓脊柱专业组主任委员、世界华人神经外科协会脊柱脊髓专业委员会主任委员、中国抗癌协会神经肿瘤学委员会第一届脊髓脊柱肿瘤学组组长、北京医学会神经外科学分会脊髓脊柱学组组长等重要学会任职，对于脊髓脊柱相关疾病的诊治达到国际先进水平。

3、原文信息

JiaYang,KaiyuanYang,WeitaoMan,JingchuanZheng,ZhengCao,Chun-YiYang,KunkooKim,ShuhuiYang,ZhaohuiHou,GuihuaiWang*,XiumeiWang*.

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