供稿人：李翏合、高琳 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2025-03-13
神经系统负责协调人类所有自主和非自主活动，具有极为复杂的生理特性。但神经系统损伤后的内在再生能力较低，自发恢复仅限于很短的距离。且生长中的神经轴突组织依赖于其他细胞和组织结构提供的物理或化学引导线索来实现轴突的定向生长。因此，为了实现3D定向轴突生长，需要在工程结构中包含类似的引导线索。而传统制造技术在这方面存在局限性，例如支架制造过程复杂、支架不透明以及刚性会阻碍神经元的生长和引发损伤等。
针对以上问题，芬兰坦佩雷大学的研究人员利用多材料3D生物打印技术开发了一种新型的透明质酸（HA）基水凝胶结构，用于体外指导轴突生长和模拟神经支配。研究人员通过控制交联成分的浓度获得了两种硬度不同的HA基生物墨水。通过将两种生物墨水交替打印，形成平行排列的纤维实现结构的制造。其中软纤维内含神经生长因子（NGF）和层粘连蛋白，促进轴突延伸，而硬纤维则提供结构支持和接触引导。
实验结果表明，软生物墨水在补充NGF和层粘连蛋白后，能够更好地支持三维神经元网络的形成。此外，通过调整生物墨水的力学性能和粘度差异，研究人员成功地在体外培养14天内实现周围神经元的完全神经支配。这一模型不仅能够模拟健康和疾病状态下的三维神经支配和轴突动态，还有望用于药物筛选和疾病模型的构建。
该研究的创新之处在于，它不仅提供了一个精确控制细胞、生物材料和生物活性因子空间定位的方法，而且还能够模拟人类组织和器官的动态特性。通过使用人类多能干细胞衍生的神经元，研究人员能够在完全基于人类细胞的环境中模拟神经支配，这对于理解人类神经系统的功能和病理具有重要意义。这项研究展示了3D生物打印技术在神经科学领域的应用潜力，特别是在模拟复杂的神经系统结构和功能方面。通过精确控制生物墨水的物理和化学特性，研究人员能够创建出能够引导轴突生长的三维结构，这对于神经组织工程和神经系统疾病的研究和治疗具有重要的科学和临床价值。
图1 周围神经元支配轴突引导结构在体外实验7天和14天时软生物墨水隧道中轴突的神经支配程度