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用于脊髓損傷修復(fù)的3D打印仿生支架

牙科生物醫(yī)療
2019
04/04
15:57
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評(píng)論
作者:郝志巖、王玲

美國有超過50萬人患有脊髓損傷,3D打印植入物有助于恢復(fù)脊髓損傷患者的神經(jīng)連接和運(yùn)動(dòng)功能。傳統(tǒng)生物組織3D打印的方法不能很好地構(gòu)建復(fù)雜的3D微結(jié)構(gòu),而這些微結(jié)構(gòu)對(duì)于誘導(dǎo)細(xì)胞生長和促進(jìn)組織成熟至關(guān)重要。由加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的工程師和神經(jīng)科學(xué)家開發(fā)的植入物,可誘導(dǎo)新的神經(jīng)細(xì)胞在脊髓創(chuàng)傷斷面部位定向生長。他們使用微尺度連續(xù)投影打印方法(μCPP)來制造復(fù)雜的中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),μCPP可以在1.6秒內(nèi)打印適合嚙齒動(dòng)物脊髓尺寸的3D仿生水凝膠支架(2mm),并且可以擴(kuò)展到人類脊髓大小和病變幾何形狀,如圖1。


圖1 3D打印仿生脊髓結(jié)構(gòu)
研究人員用神經(jīng)干細(xì)胞填充植入物,植入物含有數(shù)十個(gè)200微米寬的通道(人類頭發(fā)寬度的兩倍),可誘導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞和軸突沿著脊髓損傷的方向生長。然后將它們像拼圖一樣裝入脊髓損傷部位。它將脊髓損傷一端的再生軸突與另一端對(duì)齊,軸突本身可以向任何方向擴(kuò)散和再生,但是支架使軸突保持整齊,誘導(dǎo)它們朝正確的方向生長以完成脊髓連接。

研究人員將裝有神經(jīng)干細(xì)胞的2mm脊髓支架種植到到大鼠嚴(yán)重脊髓損傷部位。幾個(gè)月后,新的脊髓組織在損傷后完全再生,并連接大鼠脊髓損傷的神經(jīng)末端,經(jīng)修復(fù)手術(shù)的大鼠后腿運(yùn)動(dòng)功能顯著恢復(fù),如圖2。


圖2 3D打印仿生脊髓支架體內(nèi)性能實(shí)驗(yàn)(4周)
血管化是組織工程植入物長期存在于體內(nèi)的主要障礙之一,經(jīng)過手術(shù)的大鼠脊髓支架內(nèi)部可形成循環(huán)系統(tǒng)和功能性的血管網(wǎng)絡(luò),這有助于神經(jīng)干細(xì)胞存活,通過脈管系統(tǒng)能獲得足夠的營養(yǎng)并排出廢物。

這項(xiàng)技術(shù)可擴(kuò)展至人脊髓尺寸,作為概念驗(yàn)證,研究人員打印了4cm大小的脊髓支架,這些脊髓支架是根據(jù)實(shí)際人體脊髓損傷的MRI掃描建模的,并可以在10分鐘內(nèi)打印出來。研究人員的下一步是將蛋白質(zhì)摻入支架中,這將有助于在植入支架后保持干細(xì)胞存活。他們希望盡快對(duì)患有脊髓損傷的人類患者進(jìn)行臨床試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn):
Koffler J, Zhu W, Qu X, et al. Biomimetic 3D-printed scaffolds for spinal cord injury repair[J]. Nature medicine, 2019: 1.

作者:郝志巖、王玲
供稿單位:機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 


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