UMN开发定制3D打印硅胶支架，可促进脊髓类器官形成帮助修复脊髓损伤

2025年8月27日，南极熊获悉，明尼苏达大学（UMN）的研究人员开发了一种可用于移植的 3D 打印类器官支架，使用具有临床应用价值的人类诱导多能干细胞衍生的区域特异性 sNPC。sNPC的移植已显示出有望通过与宿主神经回路建立连接，实现脊髓损伤 (SCI) 后的功能恢复。

相关研究成果以题为“3D-Printed Scaffolds PromoteEnhanced Spinal Organoid Formation for Use in Spinal Cord Injury”的论文发表在《先进医疗材料》杂志上。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adhm.202404817

研究人员将3D打印支架与区域特异性脊髓神经祖细胞 （sNPC）相结合，组装成类器官结构，并能够改善完全性脊髓损伤大鼠的部分运动功能。尽管这些研究仍处于早期阶段，但让我们得以一窥工程组织结构最终如何帮助目前无法恢复神经功能的患者。

脊髓损伤影响着美国超过30万人，常常导致永久性瘫痪。虽然医疗保健提高了生存率和生活质量，但恢复失去联系的治疗仍然遥不可及。

先前的研究表明，sNPCs 在移植后可以与宿主组织形成新的连接。但注射的细胞本身容易分散，缺乏形成有序网络所需的结构。在神经外科教授 Ann M. Parr 博士的带领下，明尼苏达大学的研究团队着手解决这个问题，为细胞提供了一个可以引导生长的框架。

△定制 3D 打印硅胶支架。图片来自 McAlpine 研究小组 / UMN。

用硅胶支架引导神经元

在这个项目中，研究人员采用了一台配备多个挤压头的定制3D打印机，用来制作硅胶支架。每个支架都包含微小的通道，旨在模拟脊髓的结构。

△实验示意图

人类诱导性多能干细胞首先被转化为sNPC，然后将凝胶打印到这些通道中。这些通道引导轴突和树突沿着既定路径生长，促使细胞组装成类似于天然脊髓组织的结构。通过这种方式，支架既提供了支撑，也提供了指导，塑造了细胞的成熟方式。

实验室实验证明，这些支架能够维持细胞存活一年以上。几周之内，sNPC 就分化成了脊髓中常见的几种神经元，包括运动控制所必需的神经元。成像显示，轴突填充了支架通道，并遍布支架表面，形成了相互连接的网络。

基因分析表明，3D 环境比平面培养产生了更广泛的脊髓特异性神经元，并且电测试证实神经元不仅存活而且发挥功能，以与成熟细胞一致的方式发出信号。

受这些结果的鼓舞，研究小组在脊髓断裂的大鼠身上测试了这种支架。两个类器官支架被放入损伤留下的空隙中。

经过12周的治疗，接受治疗的动物逐渐恢复了后肢的一些活动能力，而那些使用空支架或没有支架的动物则进展甚微。电记录强化了行为学结果，表明来自大脑的信号能够穿过损伤部位，并更有效地激活接受治疗的大鼠的肌肉。

研究结束后的详细检查提供了进一步的见解。大多数植入的细胞（约63%）成熟为神经元，一部分成为少突胶质细胞，并与宿主脊髓整合。这些神经元在损伤部位的上方和下方都投射出轴突，并与现有细胞形成突触。

在一些情况下，他们形成了有序的纤维束，表明受损区域可能存在类似中继系统的现象，而非完全的中继修复。研究人员强调，这项工作仍处于早期阶段，并指出目前的测试仅限于动物，且依赖于无法永久留在体内的硅胶支架。

未来的研究将集中于可溶解成天然组织形态的生物降解材料。他们还计划添加其他类型的细胞，包括背部神经元，以恢复感觉和运动功能，并改进支架设计，以更好地模拟脊髓的分层结构。

脊柱修复的增材制造研究

3D 打印的精确度使科学家能够设计引导神经生长的支架，为脊柱创伤后的恢复提供结构化的途径。

最近，爱尔兰皇家外科学院(RCSI)医学与健康科学大学和都柏林圣三一学院的研究人员创造了一种3D 打印脊柱植入物，它将柔软的组织状基质与导电纤维混合，旨在向受损神经传递电刺激。

植入物采用熔融电写技术生产，使用涂覆MXene纳米片的聚己内酯纤维，并以低、中、高密度网络排列，以微调导电性。实验室测试中，神经元在MXene涂层纤维上生长更旺盛，而星形胶质细胞反应性较低，小胶质细胞未出现炎症。中密度支架提供了最佳的平衡性，在电刺激下支持更长的轴突生长和更成熟的神经元，这为脊柱修复指明了一条有希望的途径。

此外，加州大学圣地亚哥分校医学院和医学工程研究所(IEM) 的科学家们设计了一种快速 3D 打印脊髓植入物，帮助重伤大鼠恢复运动能力。微型 2 毫米支架仅用 1.6 秒就打印完成，200微米的通道可引导干细胞生长，并促进轴突在受损组织间重新连接。

植入后，这些结构支持血管生长，并显著恢复了后肢功能。为了测试临床可行性，研究人员还根据核磁共振成像数据，在不到10分钟的时间内打印出了更大的4厘米植入物，这标志着向人体应用迈出了重要一步。