科学家们使用3D打印技术在1.6秒内制作出脊髓植入物

这种3D打印的2毫米植入物被用作支架来修复大鼠的脊髓损伤。H形脊髓周围的点是中空的通道，植入的神经干细胞可以通过它们将轴突延伸到组织中。

3D生物打印技术——通过打印下细胞层和其他材料来构建组织——已经可以制造出包括角膜、皮肤和血管等在内的人类组织。

现在，加州大学圣地亚哥分校的一个研究团队正在更上一层楼。上周发表在Nature Medicine上的一篇论文中，该研究团队介绍了一种3D打印出来的脊髓植入物，这种植入物能使脊髓损伤的大鼠恢复后肢功能。

据作者介绍，这是首次对复杂的中枢神经系统结构进行3D打印。它是通过一种称为微尺度连续投影打印（μCPP）的先进生物打印方法实现的，利用该方法打印生物材料，比传统的3D打印方法快近1000倍，且分辨率更高。

该论文的共同作者、加州大学圣地亚哥分校纳米工程系副主席、将生物打印技术商业化的初创公司Allegro 3D的联合创始人Shaochen Chen说，最终目标是制造一种个性化的植入物，它能帮助修复受伤的脊髓，然后降解消失。“在其工作结束时，我们希望你的脊髓功能完全正常，而且没有别的什么东西留在那里。”

脊柱不容易修复，这就是为什么脊髓损伤如此具有破坏性并经常导致永久性瘫痪的原因。部分挑战是脊髓神经的细长束状轴突脆弱且挑剔。这些轴突对植入物或其他修复系统中使用的材料高度敏感。在过去的研究中，轴突甚至会通过在一种材料周围生长或回到原来的状态来避开这种材料。

Chen、神经科学家Mark Tuszynski及其同事们测试了许多材料，看哪些材料与脊髓轴突最相容，最后选择了一种叫做聚乙二醇明胶甲基丙烯酸酯的水凝胶。使用这种水凝胶，他们设计并打印了一个看起来像一块一便士厚的椭圆形瑞士奶酪的大鼠脊髓支架。

为了模拟无轴突的灰质，支架内部的H形部分是实心的。为了模拟轴突会穿过的白质，支架靠外的部分包含多个200微米的微通道，它们如隧道一样来引导神经。

Chen说，使用传统喷墨或挤压式生物打印方法无法制造出这些通道，因为这些方法打印分辨率仅能到200μm。“当你放下一滴材料时，那就已经是200μm了。你不可能打印出一个200μm的小孔。”他说。而μCPP的打印分辨率可以到1μm。

在打印过程结束后，该研究团队在微通道中注入神经干细胞，以促进轴突的生长。

还记得我在前面提到的速度吗？μCPP方法的打印速度很快。传统的喷头打印机可能需要几个小时才能制作出个性化的2毫米植入物。而μCPP在1.6秒内就可以完成。

方法如下：μCPP不是像喷墨3D打印机那样铺设单个液滴，而是将UV光照射到材料（这里是水凝胶和神经干细胞的混合物）的整个平面上。在数字图像的引导下，光线将液体材料融合在一起，形成一个打印者自己选择的固体形状。因此，μCPP不是逐滴或逐点形成结构，而是在一次连续的打印中创建出一个复杂的由水凝胶和神经干细胞构成的支架。

照片来源：David Baillot/加州大学圣地亚哥分校

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员制作了一个4厘米长的、可匹配人体脊髓损伤的植入物。

为了证明该技术可以扩展应用到人身上，Chen的团队还利用真实的MRI扫描结果打印出了与人类脊髓损伤大小和形状相匹配的支架。这些大约4厘米高的人体植入物仅需10分钟即可打印出来。

回到大鼠身上。借助植入物，当轴突穿过微通道生长并进入下脊髓时，大鼠脊柱在四周内缓慢修复。Chen说，这些支架在四周的时候还保持着原有的形状，然后在接下来的五个月里开始降解，这期间并没有发现任何炎症迹象。

与使用空支架或根本没用支架的动物相比，植入富含干细胞的植入物的大鼠其后肢功能获得了明显恢复。

该团队还使用μCPP方法制作了具有复杂微结构和血管的人体肝脏组织。

对于脊髓植入物，Chen说：“我们想对材料和结构做更多的基础研究，之后我们将在规划临床试验之前进行更大规模的动物实验”。他预计人体实验会在五年内开始。