科學家們使用3D打印技術(shù)在1.6秒內(nèi)制作出脊髓植入物

這種3D打印的2毫米植入物被用作支架來修復大鼠的脊髓損傷。H形脊髓周圍的點是中空的通道，植入的神經(jīng)干細胞可以通過它們將軸突延伸到組織中。

3D生物打印技術(shù)——通過打印下細胞層和其他材料來構(gòu)建組織——已經(jīng)可以制造出包括角膜、皮膚和血管等在內(nèi)的人類組織。

現(xiàn)在，加州大學圣地亞哥分校的一個研究團隊正在更上一層樓。上周發(fā)表在Nature Medicine上的一篇論文中，該研究團隊介紹了一種3D打印出來的脊髓植入物，這種植入物能使脊髓損傷的大鼠恢復后肢功能。

據(jù)作者介紹，這是首次對復雜的中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行3D打印。它是通過一種稱為微尺度連續(xù)投影打?。é藽PP）的先進生物打印方法實現(xiàn)的，利用該方法打印生物材料，比傳統(tǒng)的3D打印方法快近1000倍，且分辨率更高。

該論文的共同作者、加州大學圣地亞哥分校納米工程系副主席、將生物打印技術(shù)商業(yè)化的初創(chuàng)公司Allegro 3D的聯(lián)合創(chuàng)始人Shaochen Chen說，最終目標是制造一種個性化的植入物，它能幫助修復受傷的脊髓，然后降解消失?！霸谄涔ぷ鹘Y(jié)束時，我們希望你的脊髓功能完全正常，而且沒有別的什么東西留在那里?！?/p>

脊柱不容易修復，這就是為什么脊髓損傷如此具有破壞性并經(jīng)常導致永久性癱瘓的原因。部分挑戰(zhàn)是脊髓神經(jīng)的細長束狀軸突脆弱且挑剔。這些軸突對植入物或其他修復系統(tǒng)中使用的材料高度敏感。在過去的研究中，軸突甚至會通過在一種材料周圍生長或回到原來的狀態(tài)來避開這種材料。

Chen、神經(jīng)科學家Mark Tuszynski及其同事們測試了許多材料，看哪些材料與脊髓軸突最相容，最后選擇了一種叫做聚乙二醇明膠甲基丙烯酸酯的水凝膠。使用這種水凝膠，他們設(shè)計并打印了一個看起來像一塊一便士厚的橢圓形瑞士奶酪的大鼠脊髓支架。

為了模擬無軸突的灰質(zhì)，支架內(nèi)部的H形部分是實心的。為了模擬軸突會穿過的白質(zhì)，支架靠外的部分包含多個200微米的微通道，它們?nèi)缢淼酪粯觼硪龑窠?jīng)。

Chen說，使用傳統(tǒng)噴墨或擠壓式生物打印方法無法制造出這些通道，因為這些方法打印分辨率僅能到200μm?！爱斈惴畔乱坏尾牧蠒r，那就已經(jīng)是200μm了。你不可能打印出一個200μm的小孔?！彼f。而μCPP的打印分辨率可以到1μm。

在打印過程結(jié)束后，該研究團隊在微通道中注入神經(jīng)干細胞，以促進軸突的生長。

還記得我在前面提到的速度嗎？μCPP方法的打印速度很快。傳統(tǒng)的噴頭打印機可能需要幾個小時才能制作出個性化的2毫米植入物。而μCPP在1.6秒內(nèi)就可以完成。

方法如下：μCPP不是像噴墨3D打印機那樣鋪設(shè)單個液滴，而是將UV光照射到材料（這里是水凝膠和神經(jīng)干細胞的混合物）的整個平面上。在數(shù)字圖像的引導下，光線將液體材料融合在一起，形成一個打印者自己選擇的固體形狀。因此，μCPP不是逐滴或逐點形成結(jié)構(gòu)，而是在一次連續(xù)的打印中創(chuàng)建出一個復雜的由水凝膠和神經(jīng)干細胞構(gòu)成的支架。

照片來源：David Baillot/加州大學圣地亞哥分校

加利福尼亞大學圣地亞哥分校的研究人員制作了一個4厘米長的、可匹配人體脊髓損傷的植入物。

為了證明該技術(shù)可以擴展應(yīng)用到人身上，Chen的團隊還利用真實的MRI掃描結(jié)果打印出了與人類脊髓損傷大小和形狀相匹配的支架。這些大約4厘米高的人體植入物僅需10分鐘即可打印出來。

回到大鼠身上。借助植入物，當軸突穿過微通道生長并進入下脊髓時，大鼠脊柱在四周內(nèi)緩慢修復。Chen說，這些支架在四周的時候還保持著原有的形狀，然后在接下來的五個月里開始降解，這期間并沒有發(fā)現(xiàn)任何炎癥跡象。

與使用空支架或根本沒用支架的動物相比，植入富含干細胞的植入物的大鼠其后肢功能獲得了明顯恢復。

該團隊還使用μCPP方法制作了具有復雜微結(jié)構(gòu)和血管的人體肝臟組織。

對于脊髓植入物，Chen說：“我們想對材料和結(jié)構(gòu)做更多的基礎(chǔ)研究，之后我們將在規(guī)劃臨床試驗之前進行更大規(guī)模的動物實驗”。他預計人體實驗會在五年內(nèi)開始。