發(fā)布日期:2019-01-30 08:37:00
加利福尼亞大學圣地亞哥分校的工程團隊和神經(jīng)科學團隊開展了一項研究,通過3D打印植入物修復脊髓損傷患者的神經(jīng)連接和喪失的運動功能。3D打印植入物起到的作用是通過微通道結(jié)構(gòu),引導神經(jīng)干細胞和軸突沿著脊髓損傷的長度生長。目前,這項研究已經(jīng)開展了動物實驗,并展示出了良好的應用前景。
3D打印水凝膠脊椎植入物,圖片:UC San Diego。
填充神經(jīng)干細胞的3D打印支架
在研究中使用的植入物是一種水凝膠結(jié)構(gòu),它是研究人員通過3D打印技術創(chuàng)建的模仿中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的支架,它們可以通過3D打印技術快速制造成不同的尺寸和形狀,以適應患者脊髓損傷的精確解剖。
研究人員用神經(jīng)干細胞填充3D打印植入物/支架,然后將它們像缺失的拼圖一樣裝入脊髓損傷部位。3D打印支架就像橋一樣,將脊髓損傷一端的再生軸突與另一端連接并對齊。神經(jīng)軸突本身可以向任何方向擴散和再生,但是支架使軸突保持整齊,引導它們朝正確的方向生長以完成脊髓連接。
4厘米的3D打印脊椎植入物,圖片:UC San Diego。
植入物含有數(shù)十個微小的200微米寬的通道(人類頭發(fā)寬度的兩倍),該結(jié)構(gòu)可引導神經(jīng)干細胞和軸突沿著脊髓損傷的長度生長。研究團隊開發(fā)的快速3D打印技術僅需1.6秒即可生成2毫米大小的植入物。 根據(jù)應用需要,這一快速3D打印技術還可以制造與人體脊椎結(jié)構(gòu)尺寸相當?shù)闹踩胛?。作為概念驗證,研究人員3D打印了4厘米大小的植入物,打印時間約為10分鐘。這些植入物是根據(jù)實際人體脊髓損傷部位的MRI掃描影像定制化設計的。
4厘米的3D打印脊椎植入物,圖片:UC San Diego。
在動物實驗中,研究人員將填充神經(jīng)干細胞的3D打印植入物(2mm)移植到大鼠嚴重脊髓損傷部位。幾個月后,新的脊髓組織完全再生,并連接大鼠脊髓的切斷末端。經(jīng)處理的大鼠后腿的運動功能有所改善。中國3D打印網(wǎng)了解到該動物實驗的另一個具有積極意義的結(jié)果是,經(jīng)處理的大鼠的循環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)穿透植入物內(nèi)部以形成功能性的血管網(wǎng)絡,這有助于神經(jīng)干細胞存活,人工組織需要血管系統(tǒng)才能獲得足夠的營養(yǎng)并排出廢物。
以上研究涉及到工程和脊髓神經(jīng)再生這兩項交叉學科。工程團隊一直致力于開發(fā)下一代用于制造細微仿生結(jié)構(gòu)的3D打印技術,該團隊過去曾使用這項技術來制造肝臟組織和錯綜復雜的血管網(wǎng)絡,他們正在進行的項目之一為制造人工心臟組織。負責脊髓再生的研究團隊,已從事嚴重脊髓損傷修復研究超過10年,就在今年該團隊培養(yǎng)除了一系列新的脊髓神經(jīng)干細胞。
研究團隊下一步的科研目標是將這種填充脊髓干細胞的3D打印植入物用于更大的動物實驗,為將來的人體試驗做準備。接下來的研究中,研究團隊還將在脊髓支架內(nèi)摻入蛋白質(zhì),進一步刺激干細胞存活和軸突生長。
與這項研究相關的論文發(fā)表于2019年1月14日的Nature Medicine雜志,作者包括Shaochen Chen,Mark Tuszynski等。
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