张智军团队在生物3D打印用于脊髓损伤修复研究方面获进展

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脊髓损伤（SCI）作为一种严重的中枢神经系统创伤性疾病，全球每年约有50万人因病致残。其临床症状表现为脊髓损伤段位以下局部甚至全部肢体感觉以及运动功能暂时或永久性丧失。脊髓损伤后发生一系列反应，如神经细胞大量死亡、缺血、炎症反应以及胶质瘢痕的形成，导致其临床治疗面临巨大挑战。
　　近年来生物3D打印技术的快速发展为脊髓损伤修复提供了新的策略。将生物材料、细胞以及生物活性因子等组成的生物墨水进行活细胞打印，通过精确调控生物墨水中各组分比例以及打印条件，可以更好地模拟组织或器官的力学性能、生理结构和生物功能，从而实现组织/器官的快速精准制造与损伤修复。由于神经干细胞（NSCs）的敏感性和脆弱性，基于NSCs的生物3D打印存在着可选择的生物墨水种类少，生物打印过程繁琐，打印后细胞存活率低，细胞-支架相互作用弱等问题，从而极大限制了其在SCI治疗中的应用。

　　        图1（a）HBC/HA/MA生物墨水中发生的交联反应；（b）生物3D打印仿脊髓结构神经支架用于脊髓损伤修复示意图。

　　      图2（a）生物打印脊髓结构NSCs支架移植入脊髓全横断SD大鼠体内；（b）手术移植后12周，SCI大鼠后肢运动BBB评分；（c）生物打印支架内NSCs分化为神经元以及少突胶质细胞的免疫荧光染色图。

　　针对上述挑战，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张智军研究团队最近利用生物3D打印技术构建了一种具有脊髓仿生结构的神经支架，为NSCs的存活以及向神经元分化提供良好的微环境，应用于SD大鼠的脊髓损伤治疗（图1）。在该治疗策略中，研究人员首先创新性设计、制备了由羟丁基壳聚糖（HBC）、巯基透明质酸（HA-SH）、二乙烯砜基透明质酸（HA-VS）以及基质胶（MA）组成的具有良好可打印性以及生物相容性的生物墨水HBC/HA/MA。利用HBC优异的温度响应性以及HA-SH与HA-VS间迈克尔加成反应的自发二次交联，“一步法”实现了负载NSCs的神经支架生物3D打印。打印过程流畅，打印线条固化速度快（37 ℃ 20 s内成胶），成型后的支架结构稳定，打印后支架内NSCs的存活率可高达95%。随后通过对生物信号（MA）、力学性能、孔径大小等多因素的优化，有效增强了细胞-细胞以及细胞-支架之间的相互作用，从而显著促进了NSCs向神经元分化。在此基础上，研究人员考察了该3D神经支架在SCI大鼠中对脊髓损伤的修复效果，实验结果表明在3D打印支架的保护下植入的NSCs在体内存活时间长达12周，并且分化成神经元，形成神经纤维，实现轴突再生，从而显著改善了SCI大鼠后肢运动功能（图2）。
　　上述工作为生物3D打印快速精准构建神经仿生支架及其在脊髓损伤修复等再生医学领域的应用提供了一种新的策略。相关研究成果以“3D bioprinted neural tissue constructs for spinal cord injury repair”为题，近期发表在国际学术期刊Biomaterials（Biomaterials, 2021, 272, 120771）上。中科院苏州纳米所博士生刘晓云为第一作者，张智军研究员与黄洁副研究员为共同通讯作者。该工作得到中国科学院遗传与发育生物学研究所戴建武研究员和苏州纳米所张珽研究员的通力合作，并得到中科院战略性先导科技专项和国家重点研发计划等项目的支持。
      


       文章来源：苏州纳米所
        张智军，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员、博士生导师。1984年和1987年在西北大学分获学士和硕士学位。1998年在日本关西学院大学获理学博士。此后曾在北京大学、日本名古屋大学、加拿大国家研究院和McGill大学从事纳米科学研究。2007年底回国加入苏州纳米所。迄今为止在包括Nature Materials，Nano Letters，Advanced Materials及Biomaterials等国际学术刊物发表论文70余篇，引用3400次；获美国专利1项、中国专利6项。曾获苏州市高层次紧缺人才（2008）、苏州工业园区科教领军人才（2011）以及日本学术振兴会Invitation Fellowship（2011）等荣誉。