科学家开发出新型生物3D打印技术

在生物制造与组织工程领域，如何在超软、高含水的三维材料体系中实现稳定、可控的空间取向结构，是制约复杂功能组织构建的核心难题之一。传统打印因难以兼顾结构成形性、取向一致性与长期稳定性，限制了其在神经等高度各向异性软组织构建中的应用。近日，中国科学院动物研究所等研究团队，提出并系统验证了基于剪切应力场调控的生物3D打印新策略——NEAT，为软组织跨尺度取向结构制造提供了工程化解决方案。

天然细胞外基质材料具有良好的生物相容性，但其在生理条件下，自组装动力学缓慢、力学稳定性弱，难以支撑高含水状态下的三维成型与长期结构保持。因此，研究团队提出了NEAT生物打印策略，即将材料层级组装过程直接嵌入打印制造环节本身，在保留I型胶原三螺旋结构和天然生物活性的前提下，通过降冰片烯化学修饰引入快速光交联能力。随后，研究团队利用挤出打印喷嘴内形成的可控剪切应力场，在材料沉积过程中同步诱导胶原纤维发生定向重排与层级组装。通过系统调控喷嘴直径、挤出压力、打印速度及温度等工程参数，研究团队实现了50nm—200nm尺度胶原纳米纤维的定向排列、微米级纤维束的连续组装、厘米级三维结构的整体取向一致性构建。

在体外功能验证中，NEAT策略构建的取向结构为人神经干细胞提供了高度仿生的物理微环境。与非取向打印对照相比，取向结构明显提升了神经干细胞沿打印方向排列和定向分化的能力，且具有神经元特征的细胞比例明显提高，向打印构建的神经组织表现出更强的网络同步振荡活动、更高的神经元自发放电频率，以及更大的电压门控钠电流峰值，整体呈现出更成熟和稳定的神经网络功能特征。在进一步体内概念验证中，研究团队将NEAT构建的取向结构，移植至大鼠T9至T10节段全横断脊髓损伤模型。结果显示，在复杂的生理力学环境、炎症反应及组织重塑过程中，取向打印结构仍可长期保持其空间取向特征，并作为稳定的物理模板参与组织重建。同时，与非取向对照组相比，取向打印组在轴突跨损伤区连续生长、神经元重连、髓鞘形成及血管新生等方面，均表现出系统性优势。

NEAT技术通过剪切应力场对材料组装过程的精确调控，为高含水、低模量软组织中构建具有空间异质性的微环境提供了通用制造手段，且该策略可在同一三维结构中，实现取向梯度、结构分区及力学差异的协同设计，为模拟天然软组织中复杂、非均一的结构特征提供了工程化支撑。同时，NEAT实现了从纳米纤维、微米级纤维束到厘米级三维构型的连续有序组装，为软性材料体系中多层级结构一致性构建提供了可扩展的制造测量，并为复杂结构—功能关系研究及高维度生物制造奠定了技术基础。

相关研究成果发表在《细胞-干细胞》（Cell Stem Cell）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院等的支持。

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