近日，中國科學院上海矽酸鹽研究所吳成鐵研究員帶領研究團隊在生物3D打印神經構建體用於復雜組織再生方面取得新進展。針對「神經調控組織再生及功能化」這一關鍵要素，該研究團隊提出將矽酸鹽生物陶瓷基生物墨水與神經幹細胞相結合，采用生物3D打印技術創新性地構建了一種神經化構建體。矽酸鹽生物陶瓷賦予神經構建體優異的神經活性及多細胞調控功能，使其可作為通用的神經化平台促進多種組織的修復再生及功能恢復（圖1）。
神經作為人體的中樞系統，在調節和控制其他組織/器官的生理功能及代謝穩態等方面發揮關鍵作用。此外，組織再生是一個動態且復雜的生理過程，需要多種訊號、細胞和生長因子的協同作用。在損傷初期，神經會率先感知損傷訊號並做出反應，透過分泌多種神經傳導物質和神經肽等調節再生微環境，從而積極參與組織再生。因此，構建具有神經調節功能的生物活性支架對於加速組織再生及恢復其生理功能尤為重要。
研究團隊基於鋰、鈣、矽元素的促神經分化及神經保護作用，開發了基於Li-Ca-Si（LCS）生物陶瓷的生物墨水，並將其與神經幹細胞結合，透過生物3D打印技術制備一種功能化的神經構建體。研究發現LCS基生物墨水釋放的多種活性離子能夠透過PI3K-AKT通路促進神經幹細胞向神經元方向分化並誘導神經元成熟，展現出優異的神經調控活性（圖2）。此外，基於LCS生物墨水的神經構建體還展現出良好的多細胞調控功能，有效促進骨髓間充質幹細胞的成骨分化、內皮細胞的成血管化以及與肌肉細胞形成神經肌肉接頭等。在全橫斷脊髓損傷模型中，神經構建體能夠刺激神經分化及血管化，促進脊髓損傷再生及恢復老鼠下肢運動功能；在顱骨損傷模型中，神經構建體可以有效誘導新生骨的形成、骨整合、血管化及神經支配，實作神經/血管化骨再生；在體積性肌肉損傷模型中，神經構建體能夠誘導肌纖維的形成與成熟、血管化並增強神經支配，實作了神經/血管化肌肉再生（圖3）。綜上所述，該研究從「神經調節組織再生」的角度出發制備的基於生物陶瓷/神經幹細胞的神經構建體為實作復雜組織再生提供了一種潛在的策略，同時也為新一代復雜組織工程生物材料的設計提供新的思路。
該研究成果以 「Bioprinting of inorganic-biomaterial/neural-stem-cell constructs for multiple tissue regeneration and functional recovery」 為題近日發表在知名期刊【國家科學評論】（ National Science Review ）上（Natl. Sci. Rev. 2024, 11 (4): nwae035），同時申請發明專利一項。論文第一作者為上海矽酸鹽所2019級博士生張洪健，通訊作者為吳成鐵研究員。
相關研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃和上海市科委/上海分院基礎特區等基金的資助。
論文連結：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae035
圖1. 生物3D打印基於無機材料/神經幹細胞的神經化構建體促進脊髓、顱骨和肌肉損傷等多種組織再生與功能恢復。
圖2. 神經構建體的制備與表征。（a）Li-Ca-Si生物陶瓷的形貌、粒徑分布與物相組成；（b）LCS基生物墨水的形貌與流變學特性；（c）神經構建體的體外生物活性；（d）LCS調控神經分化的生物學機制。
圖3.神經構建體的體內修復效果。（a）脊髓損傷修復；（b）顱骨再生；（c）肌肉組織再生。
