1月20日消息，據(jù)《細胞-干細胞》（Cell Stem Cell）報道稱，在生物制造與組織工程領域，如何在超軟、高含水的三維材料體系中實現(xiàn)穩(wěn)定、可控的空間取向結構，是制約復雜功能組織構建的核心難題之一。傳統(tǒng)打印因難以兼顧結構成形性、取向一致性與長期穩(wěn)定性，限制了其在神經(jīng)等高度各向異性軟組織構建中的應用。

近日，中國科學院動物研究所等研究團隊，提出并系統(tǒng)驗證了基于剪切應力場調(diào)控的生物3D打印新策略——NEAT，為軟組織跨尺度取向結構制造提供了工程化解決方案。

資料顯示，天然細胞外基質材料具有良好的生物相容性，但其在生理條件下，自組裝動力學緩慢、力學穩(wěn)定性弱，難以支撐高含水狀態(tài)下的三維成型與長期結構保持。

因此，研究團隊提出了NEAT生物打印策略，即將材料層級組裝過程直接嵌入打印制造環(huán)節(jié)本身，在保留I型膠原三螺旋結構和天然生物活性的前提下，通過降冰片烯化學修飾引入快速光交聯(lián)能力。隨后，研究團隊利用擠出打印噴嘴內(nèi)形成的可控剪切應力場，在材料沉積過程中同步誘導膠原纖維發(fā)生定向重排與層級組裝。通過系統(tǒng)調(diào)控噴嘴直徑、擠出壓力、打印速度及溫度等工程參數(shù)，研究團隊實現(xiàn)了50nm—200nm尺度膠原納米纖維的定向排列、微米級纖維束的連續(xù)組裝、厘米級三維結構的整體取向一致性構建。

在體外功能驗證中，NEAT策略構建的取向結構為人神經(jīng)干細胞提供了高度仿生的物理微環(huán)境。與非取向打印對照相比，取向結構明顯提升了神經(jīng)干細胞沿打印方向排列和定向分化的能力，且具有神經(jīng)元特征的細胞比例明顯提高，向打印構建的神經(jīng)組織表現(xiàn)出更強的網(wǎng)絡同步振蕩活動、更高的神經(jīng)元自發(fā)放電頻率，以及更大的電壓門控鈉電流峰值，整體呈現(xiàn)出更成熟和穩(wěn)定的神經(jīng)網(wǎng)絡功能特征。在進一步體內(nèi)概念驗證中，研究團隊將NEAT構建的取向結構，移植至大鼠T9至T10節(jié)段全橫斷脊髓損傷模型。

結果顯示，在復雜的生理力學環(huán)境、炎癥反應及組織重塑過程中，取向打印結構仍可長期保持其空間取向特征，并作為穩(wěn)定的物理模板參與組織重建。同時，與非取向對照組相比，取向打印組在軸突跨損傷區(qū)連續(xù)生長、神經(jīng)元重連、髓鞘形成及血管新生等方面，均表現(xiàn)出系統(tǒng)性優(yōu)勢。

據(jù)介紹，NEAT技術通過剪切應力場對材料組裝過程的精確調(diào)控，為高含水、低模量軟組織中構建具有空間異質性的微環(huán)境提供了通用制造手段，且該策略可在同一三維結構中，實現(xiàn)取向梯度、結構分區(qū)及力學差異的協(xié)同設計，為模擬天然軟組織中復雜、非均一的結構特征提供了工程化支撐。同時，NEAT實現(xiàn)了從納米纖維、微米級纖維束到厘米級三維構型的連續(xù)有序組裝，為軟性材料體系中多層級結構一致性構建提供了可擴展的制造測量，并為復雜結構—功能關系研究及高維度生物制造奠定了技術基礎。