近期，清華大學材料學院王秀梅研究員和北京清華長庚醫院王貴懷教授在科愛創辦的期刊Bioactive Materials上聯合發表研究論文：3D打印類神經纖維成功修復脊髓全斷大鼠運動功能。研究通過生物3D打印技術，結合類天然細胞外基質水凝膠和神經干細胞成功制備了一種有生命的類神經纖維，可作為移植物進行修復治療，在大鼠體內成功證實了該3D打印類神經纖維可有效促進脊髓損傷后的神經再生與運動功能重建。
1、研究內容簡介
脊髓損傷修復是一項世界性的醫學難題，通常會導致永久性神經功能障礙，目前仍缺乏理想的治療方法。當前，基于生物材料的再生醫學策略已受到廣泛關注。特別是，通過生物材料與細胞的原位組裝形成有生命的仿生微組織，重現天然組織的細胞與細胞、細胞與基質間復雜的相互作用。作為組織工程與再生醫學領域的革命性技術，生物3D打印在以自下而上的組裝方式構建仿生類組織方面大有可為，且已廣泛應用于體外疾病模型構建與藥物篩選，而作為移植物用于組織再生修復的巨大潛力仍待開發。本研究基于生物3D打印技術成功制備了一種有生命的類神經纖維，該纖維由類似于天然細胞外基質的水凝膠包裹著高密度的神經干細胞組成，纖維定向排列并組裝為精準適配脊髓損傷區域大小的微型類組織，可作為移植物進行修復治療（圖1）。
圖1：“活”的類神經纖維制造及功能示意圖
考慮到中樞神經系統中主要的天然細胞外基質（ECM）成分，本研究設計了一種由明膠和透明質酸組成的類天然ECM混合水凝膠。明膠和透明質酸主鏈用甲基丙烯酰基化學功能化合成 GelMA 和 HAMA，通過碳-碳雙鍵共價結合在一起（1640 cm -1 ) 在光聚合后形成混合網絡。GelMA (5% w/v) 和 HAMA (1% w/v) 的復合溶液在 25-28 °C 附近表現出明顯的溫度響應行為，表現為粘度急劇下降和 28 °C 下的溶膠-凝膠轉變。同時，GelMA/HAMA 溶液在 28 °C 時表現出典型的剪切稀化行為，這對于保護細胞在印刷過程中免受剪切力損傷是必要的。此外，GelMA/HAMA 溶液在紫外線 (UV) 照射下可快速凝膠化。因此，結合熱交聯和光交聯，GelMA/HAMA 溶液可作為理想的生物墨水以高分辨率打印成各種定制結構。本研究基于擠出式生物3D打印技術，以包載高密度神經干細胞（NSC）的GelMA/HAMA類細胞外基質材料作為生物墨水，一體化組裝為類神經纖維仿生定向纖維結構支架，并通過體外細胞表征證實了明膠與透明質酸可作為生物墨水的仿生基質成分調控包載的NSC的體外行為，例如長期保持活力、神經元方向分化、活躍的細胞間通訊等（圖2）。
圖2：生物墨水的可打印性表征及“活”的類神經纖維體外功能性表征
本研究進一步構建了大鼠脊髓4mm全橫斷損傷模型，并將可精確適應脊髓缺損的3D打印類神經纖維支架植入大鼠的脊髓損傷區域，驗證該支架對大鼠脊髓損傷修復的促進作用。結果證實，植入體內的類神經纖維可以顯著改善脊髓損傷后的抑制性微環境，炎癥細胞從促炎態轉變為促再生態，有效促進植入NSC長期存活并分化為功能性神經元，與宿主神經元整合并形成突觸連接，重塑神經回路，從而實現脊髓長距離橫斷后的脊髓神經回路重建和運動功能恢復（圖3）。
總的來說，此研究利用3D生物打印構建的類神經纖維展現出極其優越的神經再生能力。基于3D生物打印技術的可定制性，該策略可為個性化修復脊髓損傷提供新視角，具有重要意義。
圖3：“活”的類神經纖維的體內修復及再生功能性評價
2、論文第一/通訊作者簡介
第一作者：楊嘉
清華大學材料學院、再生醫學與仿生研究所2019級博士研究生。從事生物3D打印以及神經修復材料的研發工作。
共同第一作者：楊凱元
清華大學附屬北京清華長庚醫院神經外科醫師。從事脊髓損傷修復研究工作。
通訊作者：王秀梅
清華大學材料學院教授，研究員，博士研究生導師，再生醫學與仿生研究所所長，為先書院副院長。主要從事生物材料基礎研究及生物醫用材料產品開發，主要包括：多模態神經組織再生修復材料的設計與開發，多維仿生礦化材料及組織再生修復研究以及生物醫用材料的臨床轉化及醫療器械產品開發。在國際期刊發表生物材料相關SCI論文180余篇，曾榮獲2011年度國家自然科學二等獎、2014年度山東省科技進步一等獎、2021年中國材料研究學會科學技術一等獎、2021年中華醫學科技獎一等獎、2021年北京市科學技術進步二等獎等重要獎項。現擔任中國生物材料學會神經修復材料分會主任委員，中國生物材料學會常務理事，中國材料研究會青年工作委員會副秘書長，中國硅酸鹽學會特種陶瓷分會理事等重要學會職務。
通訊作者：王貴懷
清華大學附屬北京清華長庚醫院神經中心主任，主任醫師，教授，博士研究生導師。長期致力于脊髓損傷、脊髓脊柱腫瘤、先天性脊髓脊柱發育畸形等疾病的基礎與臨床研究。王貴懷教授目前每年完成脊柱脊髓手術近500例，并開展了脊髓損傷治療的臨床試驗研究。先后承擔國家重點研發計劃、國家自然科學基金、首都臨床特色基金、中國抗癌協會基金及臨床研究10余項，先后發表學術和會議論文百余篇。目前擔任中國醫師協會神經外科醫師分會脊髓脊柱專業組主任委員、世界華人神經外科協會脊柱脊髓專業委員會主任委員、中國抗癌協會神經腫瘤學委員會第一屆脊髓脊柱腫瘤學組組長、北京醫學會神經外科學分會脊髓脊柱學組組長等重要學會任職，對于脊髓脊柱相關疾病的診治達到國際先進水平。
3、原文信息
Jia Yang, Kaiyuan Yang, Weitao Man, Jingchuan Zheng, Zheng Cao, Chun-Yi Yang, Kunkoo Kim, Shuhui Yang, Zhaohui Hou, Guihuai Wang*, Xiumei Wang*.
3D bio-printed living nerve-like fibers refine the ecological niche for long-distance spinal cord injury regeneration.
Bioactive Materials, 25 (2023) 160-175.
