研究背景与现有挑战 - 脊髓修复需要能复制天然组织轴突排列结构和机械柔软度的生物材料[3] - 目前大多数支架在水合、低刚度环境中无法支持人神经干细胞的三维排列和神经元分化[3] - 基于天然胶原的高含水水凝胶存在力学稳定性差、三维结构难以固化及空间取向难以跨尺度构建等问题[6] - 在生理条件下，胶原自组装速度慢、成型可控性差，依赖外场牵拉或静态支架获得的取向结构往往无法长期维持，也难以与生物3D打印流程良好兼容[6] - 天然细胞外基质的取向具有从纳米纤维、微米纤维束到宏观结构需协同一致的多尺度特征，增加了构建难度[6] 技术创新与核心策略 - 研究团队提出一种名为NEAT的剪切应力驱动的生物3D打印新策略[4] - NEAT全称为Nanoengineered Extrusion-Aligned Tract[4][6] - 该策略将材料组装与制造过程耦合，在保持胶原三螺旋结构和生物活性的基础上，利用挤出打印过程中的剪切应力场，诱导化学修饰的原胶原纤维在成形的同时发生定向重排与有序组装[6] - 通过优化喷嘴尺寸、打印速度与挤出压力等关键参数，实现了从百纳米到微米级的纤维连续取向[6] - 该技术在无需后处理的条件下，实现了从纳米级纤维排列到厘米级三维组织结构的连续取向构建[4] 研究成果与功能验证 - 该研究在Cell Stem Cell期刊发表了题为“Nanoengineered Extrusion-Aligned Tract Bioprinting Enables Functional Repair of Spinal Cord Injuries”的研究论文[3] - 在体外功能鉴定中，NEAT打印构建的取向组织在细胞分化与功能成熟度方面均表现出显著优势，支持超过8周的体外培养[7] - 在体内体系中，NEAT植入物在大鼠完全性脊髓横断模型中，促进了轴突的显著重新连接、突触形成以及明显的运动功能恢复[4] - 在动物损伤模型中，取向打印结构在维持工程稳定性的同时，促进轴突再连接、突触形成及取向结构重建[7] 技术意义与应用前景 - NEAT策略成功解决了超软、高含水组织制造的技术难题[9] - 该技术实现了从百纳米纤维排列到厘米级组织功能的多层级构建[9] - 该策略将拓扑控制、细胞编程和功能整合相结合，为神经组织工程和脊髓再生提供了一个强大的平台[4] - 这项研究为未来体外功能模型及多尺度生物制造系统奠定了方法学基础[9]