同軸3D打印分層結(jié)構(gòu)水凝膠支架，按需修復脊髓損傷

來源： 易絲幫

脊髓損傷（SCI）后，受損部位附近的內(nèi)源性神經(jīng)干細胞（NSCs）被激活，但由于惡劣的微環(huán)境，激活的NSCs難以遷移到損傷部位并分化成神經(jīng)元。研究表明，體內(nèi)植入線性有序排列的水凝膠支架可以顯著增強內(nèi)源性NSCs的功能。然而，通過對神經(jīng)支架的有序結(jié)構(gòu)進行設(shè)計構(gòu)建，使其發(fā)揮不同的功能，從而實現(xiàn)對多種組織器官的損傷修復，仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

近日，中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張智軍研究員、黃潔副研究員及鄧宗武研究員等在國際學術(shù)期刊《Acta Biomaterialia》上發(fā)表了最新研究成果“Coaxial 3D printing of hierarchical structured hydrogel scaffolds for on-demand repair of spinal cord injury”。研究者通過同軸生物3D打印技術(shù)，構(gòu)建了一種具有分層結(jié)構(gòu)的同軸水凝膠支架，用于脊髓損傷按需修復。通過將雙網(wǎng)絡水凝膠（由透明質(zhì)酸衍生物和N-鈣黏蛋白改性海藻酸鈉組成，核心水凝膠支架）封裝到溫度響應的明膠/纖維素納米纖維水凝膠（Gel/CNF，外層水凝膠支架）中，構(gòu)建出具有分層結(jié)構(gòu)的同軸水凝膠支架。在支架移植初期，負載在外層水凝膠支架中的活性物質(zhì)金屬卟啉隨著Gel/CNF在37℃環(huán)境中的降解而迅速釋放，抑制病變部位的初始氧化應激，以保護內(nèi)源性NSC；而核心水凝膠不僅可以為NSCs提供機械支撐，其線性拓撲結(jié)構(gòu)以及負載的N-鈣黏蛋白有助于SCI治療后期NSCs的遷移和神經(jīng)元分化，從而有效地促進SCI大鼠的運動功能恢復。這種同軸水凝膠支架可以結(jié)合多種調(diào)控因素共同促進SCI修復。

圖1：同軸結(jié)構(gòu)水凝膠支架的制造和形態(tài)。

SEM圖像和光學顯微鏡清楚地顯示了同軸水凝膠支架的分層結(jié)構(gòu) （圖1a 和圖 1b）。核心支架孔徑為200-300 μm（圖1c），適合神經(jīng)干細胞在水凝膠內(nèi)部黏附和生長。將整個支架放在37℃環(huán)境5分鐘，外層水凝膠快速溶解，釋放出負載的金屬錳卟啉，有利于及時清除損傷初期產(chǎn)生的大量活性物質(zhì)（圖1d）。而核心水凝膠支架可以長期存在，吸引內(nèi)源性NSCs向損傷部位遷移，為NSCs的生長和分化提供長期的物理支撐（圖2）。

圖2：核心水凝膠支架誘導NSCs遷移的能力。

圖3：不同實驗組與對照組相比，脊髓損傷大鼠的運動功能恢復情況。

圖4：實驗組與對照組相比，脊髓損傷恢復及神經(jīng)纖維再生情況。

動物實驗結(jié)果表明，同軸水凝膠支架能有效促進損傷部位內(nèi)源性NSCs向神經(jīng)元的分化，顯著改善SCI大鼠后肢彎曲程度以及運動能力（圖3）,并促進脊髓受損區(qū)域神經(jīng)纖維的再生（圖4）。綜上所述，該研究利用生物3D打印構(gòu)建同軸水凝膠支架促進脊髓損傷修復，為制造多功能神經(jīng)再生支架提供了一種創(chuàng)新策略。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1742706123004051

人 物 簡 介   
張智軍，中國科學院蘇州納米所研究員、博士生導師。1998年在日本關(guān)西學院大學獲理學博士學位。此后曾在日本名古屋大學、加拿大國家研究院和 McGill 大學從事納米科技研究。2007年底回國受聘蘇州納米所研究員、課題組長。迄今為止在包括Advanced Materials，ACS Nano及Biomaterials等國際學術(shù)刊物發(fā)表論文120余篇，共引用10000余次。獲美國專利1項、中國專利10項。“新型納米載藥體系研究”獲教育部自然科學獎二等獎（2016，排名第2）。