研究揭示生物3D打印導電神經支架改善脊髓損傷修復效果

　　脊髓損傷（SCI）是嚴重的中樞神經系統創傷性疾病。損傷后大腦和周圍器官之間的神經連接中斷，導致損傷節段以下的感覺和運動功能喪失，嚴重影響患者的生活質量，并對家庭和社會帶來經濟負擔。SCI的臨床治療方式主要包括手術治療、藥物治療和康復治療等。盡管治療技術有了長足進步，但恢復患者的感覺和運動功能仍是巨大挑戰。

　　組織工程技術的迅速發展，為SCI修復提供了新策略。當前，具有特定物理和生物功能的神經支架被廣泛開發，在植入后支架能夠為受損脊髓組織提供力學支撐，引導神經細胞生長，改善損傷處微環境，并促進SCI的修復。為達到理想的治療效果，組織工程支架應仿生天然脊髓的組織結構和生理功能，并針對SCI的病理生理特征對細胞和生物材料的沉積進行精確調控。由于中樞神經系統的復雜性，傳統組織工程方法難以模擬脊髓組織生理結構，從而限制了治療效果。

　　運用生物3D打印技術精確控制材料與細胞的分布，構建具有類脊髓組織結構和生理功能的仿生支架，植入損傷部位，是解決這一問題的有效途徑。生物3D打印是將生物材料和細胞、細胞因子等按組織功能、細胞特定微環境等要求，用3D打印制造出具有個性化的體外三維模型的一種技術。近年來，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張智軍團隊采用擠出式生物3D打印制備了負載神經干細胞（NSC）的支架。結果表明，在支架的保護下，植入的NSC在體內存活時間長達12周，并分化成神經元，形成神經纖維，實現軸突再生，顯著改善SCI大鼠后肢運動功能（Biomaterials 2021, 272, 120771；Acta Biomaterialia 2022, 10.1016/j.actbio.2022.08.031）。而目前開發的仿生支架仍以模擬脊髓神經束的平行排列結構為主，缺乏對于脊髓組織的電生理功能的仿生，難以滿足脊髓神經電信號傳導的要求。

　　針對上述挑戰，該團隊開發了基于甲基丙烯酰化明膠（GelMA）、甲基丙烯酰化透明質酸（HAMA）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：磺化木質素（PEDOT:LS）的新型導電水凝膠（圖1）。其中，GelMA/HAMA模擬神經系統細胞外基質，為支架提供力學支撐，并為NSC提供適合的生長環境；PEDOT是一類導電性高、生物相容性好的導電高分子，LS的摻雜有效提高了PEDOT的分散性。PEDOT:LS的引入顯著提高支架的導電性，使得支架的電導率與天然脊髓白質相當（0.60S m-1）。通過精確調節光固化時間，水凝膠顯示出與脊髓組織相似的機械性能（儲能模量≈ 1 KPa），且其多孔結構與溶脹特性適合于NSC的生長（圖2）。將導電水凝膠前驅體溶液與NSC共混制備生物墨水，通過擠出式生物3D打印技術制備導電脊髓仿生支架。打印后，NSC的存活率超過90%，并能夠在支架內展現良好的增殖行為。更重要的是，與非導電支架相比，導電支架顯著促進NSC向神經元的分化（圖3）。在此基礎上構建大鼠脊髓全橫斷模型，植入仿生支架推進了SCI大鼠后肢運動功能的恢復。損傷斷面處免疫熒光染色結果進一步表明，導電仿生支架有效促進了損傷部位神經元的再生，減少了膠質瘢痕的沉積，并推動了神經軸突的再生和髓鞘化（圖4）。本研究開發的導電脊髓仿生支架，為SCI的修復提供了新策略。

　　相關研究成果以3D bioprinted conductive spinal cord biomimetic scaffolds for promoting neuronal differentiation of neural stem cells and repairing of spinal cord injury為題，發表在Chemcial Engineering Journal上。研究工作得到中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金等的支持。