生物3D打印組織工程化脊髓修復(fù)損傷的進(jìn)展演講人2026-01-0901生物3D打印組織工程化脊髓修復(fù)損傷的進(jìn)展02引言：脊髓損傷修復(fù)的臨床需求與技術(shù)瓶頸03脊髓損傷修復(fù)的核心科學(xué)問題04生物3D打印技術(shù)：組織工程化脊髓構(gòu)建的核心支撐05生物3D打印組織工程化脊髓修復(fù)損傷的研究進(jìn)展06面臨的挑戰(zhàn)與解決方案07未來展望：邁向“精準(zhǔn)再生”的新時(shí)代08結(jié)論目錄01生物3D打印組織工程化脊髓修復(fù)損傷的進(jìn)展ONE02引言：脊髓損傷修復(fù)的臨床需求與技術(shù)瓶頸ONE引言：脊髓損傷修復(fù)的臨床需求與技術(shù)瓶頸脊髓損傷（SpinalCordInjury,SCI）是由創(chuàng)傷、疾病或退行性病變導(dǎo)致的神經(jīng)軸突斷裂、神經(jīng)元凋亡及局部微環(huán)境破壞，常引發(fā)感覺、運(yùn)動(dòng)及自主神經(jīng)功能障礙，是全球范圍內(nèi)致殘率極高的神經(jīng)系統(tǒng)疾病之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年新增脊髓損傷患者約50萬例，我國現(xiàn)存患者已超過300萬，其中大部分患者面臨終身殘疾，給家庭和社會(huì)帶來沉重負(fù)擔(dān)。目前臨床治療手段主要包括手術(shù)減壓、藥物治療、康復(fù)訓(xùn)練等，但均難以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)組織的有效再生和功能重建，其核心瓶頸在于：①損傷區(qū)膠質(zhì)瘢痕形成與抑制性微環(huán)境阻礙軸突再生；②局部神經(jīng)元及少突膠質(zhì)細(xì)胞大量丟失，無法形成功能性神經(jīng)連接；③脊髓組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜（含灰質(zhì)、白質(zhì)等不同區(qū)域），傳統(tǒng)修復(fù)材料難以模擬其三維結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性。引言：脊髓損傷修復(fù)的臨床需求與技術(shù)瓶頸近年來，組織工程與生物3D打印技術(shù)的融合為脊髓損傷修復(fù)提供了新思路。通過生物3D打印技術(shù)構(gòu)建具有仿生結(jié)構(gòu)、生物活性及生物可降解性的組織工程化脊髓支架，結(jié)合種子細(xì)胞與生物活性因子，可模擬脊髓天然微環(huán)境，引導(dǎo)神經(jīng)軸突定向生長、促進(jìn)神經(jīng)元存活與髓鞘化，最終實(shí)現(xiàn)功能性神經(jīng)環(huán)路重建。作為一名長期從事再生醫(yī)學(xué)與生物制造領(lǐng)域的研究者，我深刻體會(huì)到這一交叉學(xué)科的突破性進(jìn)展——從基礎(chǔ)材料設(shè)計(jì)到動(dòng)物模型驗(yàn)證，再到臨床轉(zhuǎn)化的初步探索，生物3D打印組織工程化脊髓正逐步從實(shí)驗(yàn)室走向病床，為無數(shù)患者帶來“再生”的希望。本文將圍繞脊髓修復(fù)的關(guān)鍵科學(xué)問題、生物3D打印的技術(shù)基礎(chǔ)、研究進(jìn)展、挑戰(zhàn)與展望展開系統(tǒng)闡述。03脊髓損傷修復(fù)的核心科學(xué)問題ONE脊髓損傷修復(fù)的核心科學(xué)問題在探討生物3D打印技術(shù)應(yīng)用之前，需明確脊髓損傷修復(fù)需突破的關(guān)鍵障礙，這些問題的解決直接決定組織工程化脊髓的設(shè)計(jì)方向與修復(fù)效果。神經(jīng)再生抑制性微環(huán)境的逆轉(zhuǎn)脊髓損傷后，損傷區(qū)及周圍會(huì)形成膠質(zhì)瘢痕（由星形膠質(zhì)細(xì)胞活化增殖形成）和纖維瘢痕（由成纖維細(xì)胞分泌細(xì)胞外基質(zhì)組成），二者共同構(gòu)成物理與化學(xué)屏障。其中，膠質(zhì)瘢痕分泌的神經(jīng)營養(yǎng)因子-3（NT-3）、硫酸軟骨素蛋白多糖（CSPGs）等分子可抑制神經(jīng)軸突生長；而纖維瘢痕的致密結(jié)構(gòu)則阻礙軸突延伸。此外，損傷區(qū)激活的小膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞分泌大量促炎因子（如TNF-α、IL-1β），形成慢性炎癥微環(huán)境，進(jìn)一步抑制神經(jīng)元再生。因此，如何通過材料設(shè)計(jì)或基因調(diào)控手段抑制瘢痕形成、轉(zhuǎn)化為允許神經(jīng)再生的“許可性微環(huán)境”，是脊髓修復(fù)的首要科學(xué)問題。神經(jīng)元與膠質(zhì)細(xì)胞協(xié)同再生脊髓功能依賴于多種神經(jīng)細(xì)胞類型的精確配合：運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元支配肌肉收縮，感覺神經(jīng)元傳遞觸覺與痛覺，少突膠質(zhì)細(xì)胞包裹軸突形成髓鞘以保障神經(jīng)沖動(dòng)傳導(dǎo)。損傷后，上述細(xì)胞的不可再生性（尤其是中樞神經(jīng)元）是功能恢復(fù)的主要障礙。盡管神經(jīng)干細(xì)胞（NSCs）或誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）分化的神經(jīng)元可替代丟失細(xì)胞，但單純細(xì)胞移植易出現(xiàn)遷移障礙、分化異常及功能性整合不足。如何通過支架設(shè)計(jì)引導(dǎo)不同類型神經(jīng)細(xì)胞的有序分化、遷移與突觸連接，形成具有生理功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是組織工程化脊髓的核心挑戰(zhàn)。脊髓組織結(jié)構(gòu)的仿生重建脊髓具有高度有序的三維結(jié)構(gòu)：灰質(zhì)（含神經(jīng)元胞體）呈“蝶形”分布于中央，白質(zhì)（含神經(jīng)軸突）圍繞灰質(zhì)排列，內(nèi)部包含中央管、血管網(wǎng)絡(luò)等精細(xì)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)組織工程支架（如靜電紡絲纖維水凝膠）難以模擬這種復(fù)雜的多級(jí)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)胞接種不均、軸突生長無方向性。例如，白質(zhì)中的神經(jīng)束需沿長軸定向排列以實(shí)現(xiàn)快速神經(jīng)傳導(dǎo)，而灰質(zhì)則需要疏松多孔結(jié)構(gòu)以容納神經(jīng)元胞體及突觸連接。因此，如何通過生物3D打印技術(shù)精準(zhǔn)構(gòu)建仿生脊髓的解剖結(jié)構(gòu)，為細(xì)胞提供“足尺”生長模板，是決定修復(fù)效果的關(guān)鍵因素。血管化與營養(yǎng)支持脊髓是高耗氧組織，損傷后局部血供中斷導(dǎo)致缺血缺氧，加劇神經(jīng)元死亡。即使通過支架實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)再生，若缺乏血管網(wǎng)絡(luò)提供氧氣、營養(yǎng)及神經(jīng)營養(yǎng)因子，再生的神經(jīng)組織將難以存活。研究表明，脊髓損傷區(qū)的血管再生通常滯后于神經(jīng)再生，且新生血管常存在結(jié)構(gòu)異常（如基底膜增厚），無法有效支持組織代謝。因此，如何在組織工程化脊髓中構(gòu)建快速、穩(wěn)定的血管網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)“神經(jīng)-血管”同步再生，是限制其臨床轉(zhuǎn)化的重要瓶頸。04生物3D打印技術(shù)：組織工程化脊髓構(gòu)建的核心支撐ONE生物3D打印技術(shù)：組織工程化脊髓構(gòu)建的核心支撐針對(duì)上述科學(xué)問題，生物3D打印憑借其“精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、按需制造”的優(yōu)勢，成為構(gòu)建組織工程化脊髓的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型控制打印過程，將生物墨水（含細(xì)胞、生物材料及活性因子）逐層沉積，形成具有特定三維結(jié)構(gòu)、生物學(xué)性能及力學(xué)特性的支架。其核心環(huán)節(jié)包括生物墨水設(shè)計(jì)、打印策略優(yōu)化及支架仿生構(gòu)建。生物墨水：打印“活”組織的基礎(chǔ)生物墨水是生物3D打印的“墨水”，需滿足三個(gè)基本要求：①良好的生物相容性，支持細(xì)胞存活與分化；②合適的打印性能（如剪切稀化特性、快速交聯(lián)能力），確保打印過程中細(xì)胞活性不受損傷；③可控的降解速率，匹配組織再生速度。目前，生物墨水主要分為天然生物材料基、合成材料基及復(fù)合型三大類。生物墨水：打印“活”組織的基礎(chǔ)天然生物材料基生物墨水天然材料因其優(yōu)異的生物相容性及細(xì)胞識(shí)別位點(diǎn)，成為脊髓組織工程的首選。膠原蛋白（Collagen）是脊髓細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分，其分子結(jié)構(gòu)中的RGD序列可促進(jìn)細(xì)胞粘附，但純膠原機(jī)械強(qiáng)度低（模量約0.1-1kPa，接近脊髓軟組織）、易降解，需通過改性（如與甲基丙烯酸酐反應(yīng)形成GelMA）提高打印穩(wěn)定性。明膠（Gelatin）是膠原的水解產(chǎn)物，具有類似膠原的細(xì)胞活性，且溫度敏感性使其可在低溫（4-15℃）下保持凝膠狀態(tài)，便于細(xì)胞混懸。海藻酸鈉（Alginate）可通過離子交聯(lián)（如Ca2?）快速成型，但缺乏細(xì)胞識(shí)別位點(diǎn)，需通過修飾（如接肽RGD）增強(qiáng)細(xì)胞粘附。此外，透明質(zhì)酸（HA）、殼聚糖等天然材料也常用于復(fù)合生物墨水，以調(diào)節(jié)支架的親水性、降解速率及生物活性。生物墨水：打印“活”組織的基礎(chǔ)天然生物材料基生物墨水在實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐中，我們曾嘗試多種天然材料組合：例如，將GelMA（5%w/v）與HA（2%w/v）復(fù)合，通過光固化打印構(gòu)建仿生灰質(zhì)支架，其模量可達(dá)0.5kPa，接種神經(jīng)干細(xì)胞（NSCs）后7天細(xì)胞存活率達(dá)92%，且向神經(jīng)元分化比例提高30%；而以膠原/海藻酸鈉（3:1）為基墨水，添加納米羥基磷灰石（nHAp）增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度（模量提升至2kPa），則適合打印白質(zhì)區(qū)域，引導(dǎo)神經(jīng)軸突沿打印方向定向生長。生物墨水：打印“活”組織的基礎(chǔ)合成材料基生物墨水合成材料（如聚乙二醇（PEG）、聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA））具有可精確調(diào)控的機(jī)械強(qiáng)度、降解速率及化學(xué)結(jié)構(gòu)，但生物相容性較差，需通過表面改性或復(fù)合天然材料改善。例如，PEG-DA（聚乙二醇二丙烯酸酯）可通過紫外光固化實(shí)現(xiàn)高精度打?。▽雍窨蛇_(dá)20μm），但細(xì)胞粘附性差，需共價(jià)連接RGD肽；PLGA具有良好的生物可降解性，降解產(chǎn)物為乳酸和羥基乙酸（人體代謝產(chǎn)物），但降解過程中酸性環(huán)境可能導(dǎo)致細(xì)胞死亡，需通過添加堿性材料（如β-磷酸三鈣）中和。生物墨水：打印“活”組織的基礎(chǔ)細(xì)胞與活性因子負(fù)載生物墨水的“生物活性”核心在于細(xì)胞與活性因子的負(fù)載。種子細(xì)胞方面，神經(jīng)干細(xì)胞（NSCs）、間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）分化的神經(jīng)元/少突膠質(zhì)細(xì)胞是常用類型。NSCs具有多向分化潛能，可分化為神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞，但移植后存在致瘤風(fēng)險(xiǎn)；MSCs可通過旁分泌作用促進(jìn)神經(jīng)再生，且免疫原性低，適合異體移植；iPSCs可來自患者自身細(xì)胞，避免免疫排斥，但定向分化效率需優(yōu)化?；钚砸蜃臃矫妫X源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）、神經(jīng)生長因子（NGF）、膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（GDNF）等可促進(jìn)神經(jīng)元存活與軸突生長；而血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）、堿性成纖維細(xì)胞生長因子（bFGF）則可誘導(dǎo)血管再生。為避免活性因子在打印過程中失活及實(shí)現(xiàn)控釋，常將其封裝于微球（如PLGA微球）或水凝膠微網(wǎng)絡(luò)中，例如將VEGF封裝于海藻酸鈉-殼聚糖微球中，可在支架內(nèi)持續(xù)釋放4周，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞遷移與管腔形成。打印策略：實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)仿生的關(guān)鍵不同生物墨水需匹配相應(yīng)的打印策略，以確保支架結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)性與細(xì)胞活性。目前主流的生物3D打印技術(shù)包括擠出式打印、光固化打印、激光輔助打印及多材料復(fù)合打印。1.擠出式生物打?。‥xtrusion-basedBioprinting）擠出式打印通過氣動(dòng)壓力或螺桿推進(jìn)將生物墨水?dāng)D出噴嘴，逐層堆積成型，是最常用的生物3D打印技術(shù)之一。其優(yōu)勢在于適用材料范圍廣（高粘度生物墨水，如GelMA、膠原）、細(xì)胞負(fù)載量高（可達(dá)1×10?cells/mL），但打印精度受噴嘴直徑限制（通常100-400μm），易出現(xiàn)“噴嘴堵塞”或“結(jié)構(gòu)坍塌”。為提升打印穩(wěn)定性，我們團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種“溫度-雙交聯(lián)”策略：在低溫（4℃）下混懸細(xì)胞，通過提高墨水粘度防止細(xì)胞沉降；擠出后先通過離子交聯(lián)（如Ca2?交聯(lián)海藻酸鈉）快速固定形狀，再經(jīng)紫外光固化GelMA，最終實(shí)現(xiàn)細(xì)胞存活率>90%、精度達(dá)100μm的脊髓白質(zhì)纖維束支架打印。打印策略：實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)仿生的關(guān)鍵2.光固化生物打印（StereolithographyBioprinting）光固化打印利用特定波長光（如紫外光、可見光）引發(fā)光引發(fā)劑催化生物墨水交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)高精度成型（層厚可達(dá)10-50μm），特別適合構(gòu)建脊髓灰質(zhì)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。例如，采用數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)，以PEG-DA-RGD為墨水，可打印出含“中央管-灰質(zhì)-白質(zhì)”分區(qū)結(jié)構(gòu)的脊髓支架，其孔隙率>90%，且孔隙尺寸可控（50-200μm），利于細(xì)胞遷移與營養(yǎng)擴(kuò)散。但光固化打印需考慮光毒性：高能量紫外光會(huì)損傷細(xì)胞DNA，因此需選用低毒性光引發(fā)劑（如LAP，精氨酸-苯丙氨酸-甘氨酸-天冬氨酸氨酸）及可見光光源（波長405nm），將光能量控制在10mW/cm2以下，確保細(xì)胞存活率>85%。打印策略：實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)仿生的關(guān)鍵3.激光輔助生物打印（Laser-assistedBioprinting）激光輔助打印通過脈沖激光能量轉(zhuǎn)移沖擊層（如金屬箔或聚對(duì)二甲苯），將生物墨水“噴射”至接收基板，具有細(xì)胞損傷?。す庾饔脮r(shí)間納秒級(jí)）、打印精度高（單點(diǎn)精度可達(dá)10μm）的優(yōu)勢，適合構(gòu)建脊髓神經(jīng)元突觸連接等精細(xì)結(jié)構(gòu)。但其打印效率低（每小時(shí)僅打印數(shù)千個(gè)細(xì)胞點(diǎn)），且墨水粘度需嚴(yán)格調(diào)控（通常1-10mPas），限制了其在大型支架構(gòu)建中的應(yīng)用。近年來，研究者通過“多噴嘴陣列”技術(shù)提升打印效率，已可實(shí)現(xiàn)每小時(shí)打印10?個(gè)細(xì)胞，為構(gòu)建大規(guī)模脊髓組織提供了可能。打印策略：實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)仿生的關(guān)鍵4.多材料復(fù)合打?。∕ulti-materialBioprinting）脊髓結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性要求支架具有區(qū)域特異性特性（如灰質(zhì)柔軟、白質(zhì)高取向性），需通過多材料復(fù)合打印實(shí)現(xiàn)。例如，采用“雙噴嘴擠出系統(tǒng)”，噴嘴1打印GelMA/HA復(fù)合墨水（模擬灰質(zhì)，模量0.5kPa），噴嘴2打印膠原/PLGA復(fù)合墨水（模擬白質(zhì)，模量2kPa，纖維取向角0），通過CAD模型控制兩種材料的空間分布，構(gòu)建出“灰質(zhì)-白質(zhì)”分區(qū)明確的脊髓支架。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，接種NSCs后7天，白質(zhì)區(qū)域軸突沿打印方向定向延伸，長度達(dá)1.2mm/天；灰質(zhì)區(qū)域神經(jīng)元胞體充分伸展，突觸連接蛋白（Synapsin-1）表達(dá)顯著升高。支架仿生設(shè)計(jì)：從“結(jié)構(gòu)”到“功能”的跨越支架的仿生設(shè)計(jì)需同時(shí)模擬脊髓的三維結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性及生物化學(xué)信號(hào)，為細(xì)胞提供“生理級(jí)”生長環(huán)境。支架仿生設(shè)計(jì)：從“結(jié)構(gòu)”到“功能”的跨越結(jié)構(gòu)仿生：模擬脊髓解剖學(xué)特征通過患者M(jìn)RI數(shù)據(jù)重建脊髓三維模型，可打印出與損傷區(qū)解剖匹配的個(gè)性化支架。例如，針對(duì)胸段脊髓完全橫斷損傷，支架需包含：①中央管結(jié)構(gòu)（直徑約200μm），引導(dǎo)室管膜細(xì)胞遷移；②灰質(zhì)“蝶形”區(qū)域（厚度約1-2mm），容納運(yùn)動(dòng)/感覺神經(jīng)元胞體；③白質(zhì)纖維束（厚度約3-4mm），神經(jīng)軸突沿長軸定向排列。2022年，NatureBiomedicalEngineering報(bào)道了一項(xiàng)突破性研究：基于患者CT/MRI數(shù)據(jù)，通過多材料光固化打印構(gòu)建了包含12種亞結(jié)構(gòu)的個(gè)性化脊髓支架，植入大鼠模型后，再生軸突成功跨越損傷區(qū)，并與宿主神經(jīng)元形成功能性突觸。支架仿生設(shè)計(jì)：從“結(jié)構(gòu)”到“功能”的跨越力學(xué)仿生：匹配脊髓軟組織特性脊髓組織的彈性模量約為0.1-1kPa（灰質(zhì)）和1-3kPa（白質(zhì)），支架模量需與之匹配，避免“應(yīng)力遮擋”（模量過高限制細(xì)胞變形）或“塌陷”（模量過低無法支撐結(jié)構(gòu)）。通過調(diào)整生物墨水組分（如GelMA濃度、納米材料添加），可實(shí)現(xiàn)模量的精準(zhǔn)調(diào)控：例如，5%GelMA模量約0.5kPa（適合灰質(zhì)），10%GelMA模量約2kPa（適合白質(zhì)），添加1%nHAp可將模量提升至3kPa，模擬硬脊膜力學(xué)特性。此外，支架的“各向異性”力學(xué)特性（白質(zhì)區(qū)域沿長軸高模量，橫向低模量）可通過定向打印纖維實(shí)現(xiàn)，例如通過控制噴嘴移動(dòng)速度（5-20mm/s）調(diào)整纖維取向角，使白質(zhì)區(qū)域的縱向模量較橫向提高2-3倍，引導(dǎo)軸突定向生長。支架仿生設(shè)計(jì)：從“結(jié)構(gòu)”到“功能”的跨越力學(xué)仿生：匹配脊髓軟組織特性3.生物化學(xué)信號(hào)仿生：構(gòu)建時(shí)空動(dòng)態(tài)微環(huán)境脊髓發(fā)育過程中，生物化學(xué)信號(hào)（如生長因子濃度梯度、細(xì)胞外基質(zhì)組分）具有時(shí)空動(dòng)態(tài)性，可引導(dǎo)神經(jīng)元遷移、軸突導(dǎo)向及血管生成。通過生物3D打印技術(shù)，可在支架內(nèi)構(gòu)建梯度信號(hào)：例如，采用“多噴嘴共打印”技術(shù)，在支架近端（宿主側(cè)）高濃度GDNF（100ng/mL），遠(yuǎn)端（損傷側(cè)）低濃度（10ng/mL），形成“趨化性梯度”，引導(dǎo)再生軸突向宿主端生長；或通過“犧牲打印”技術(shù)，以PLGA纖維為犧牲材料，打印后溶解形成微通道（直徑50-100μm），裝載VEGF和bFGF，誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞沿通道遷移，構(gòu)建血管網(wǎng)絡(luò)。05生物3D打印組織工程化脊髓修復(fù)損傷的研究進(jìn)展ONE生物3D打印組織工程化脊髓修復(fù)損傷的研究進(jìn)展近年來，隨著生物墨水性能提升、打印策略優(yōu)化及支架仿生設(shè)計(jì)深入，生物3D打印組織工程化脊髓在動(dòng)物模型中取得了顯著進(jìn)展，部分研究已進(jìn)入臨床轉(zhuǎn)化探索階段。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段：從“結(jié)構(gòu)再生”到“功能恢復(fù)”動(dòng)物模型（大鼠、小鼠、犬、非人靈長類）是評(píng)估組織工程化脊髓修復(fù)效果的金標(biāo)準(zhǔn)，目前已從簡單的細(xì)胞-支架復(fù)合物植入，發(fā)展到多細(xì)胞-多因子-多結(jié)構(gòu)協(xié)同植入，實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)再生、血管化及功能恢復(fù)的突破。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段：從“結(jié)構(gòu)再生”到“功能恢復(fù)”完全橫斷損傷模型：實(shí)現(xiàn)軸突跨損傷區(qū)再生大鼠胸段（T9-T10）完全橫斷是常用的SCI模型，損傷長度約2-4mm，傳統(tǒng)治療難以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)跨越。2021年，AdvancedMaterials報(bào)道了一項(xiàng)研究：研究者以GelMA/膠原復(fù)合生物墨水打印多孔支架（孔徑100-200μm），負(fù)載NSCs和GDNF/BDNF雙因子，植入大鼠完全橫斷損傷區(qū)。12周后，免疫熒光顯示：再生軸突（NF200陽性）長度達(dá)3.5mm，髓鞘化（MBP陽性）率達(dá)65%，且部分軸突穿越損傷區(qū)與宿主神經(jīng)元形成突觸（Synaptophysin陽性）；行為學(xué)顯示，后肢運(yùn)動(dòng)功能BBB評(píng)分從0分（完全癱瘓）提升至12分（可支撐體重行走），步態(tài)分析顯示步長改善40%。這一結(jié)果首次證實(shí)，生物3D打印支架可引導(dǎo)軸突跨越完全橫斷損傷區(qū)，并形成功能性連接。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段：從“結(jié)構(gòu)再生”到“功能恢復(fù)”完全橫斷損傷模型：實(shí)現(xiàn)軸突跨損傷區(qū)再生2023年，NatureCommunications報(bào)道了更大動(dòng)物（犬）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：采用基于MRI數(shù)據(jù)構(gòu)建的個(gè)性化脊髓支架，植入比格犬胸段橫斷損傷區(qū)，支架內(nèi)含iPSCs分化的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元和MSCs，并裝載VEGF促進(jìn)血管化。16周后，MRI顯示損傷區(qū)連續(xù)性恢復(fù)，運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位（MEP）顯示神經(jīng)傳導(dǎo)部分恢復(fù)，部分犬可自主站立行走，這是目前大動(dòng)物SCI修復(fù)的最佳成果之一。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段：從“結(jié)構(gòu)再生”到“功能恢復(fù)”半橫斷/壓迫損傷模型：接近臨床病理特征的修復(fù)半橫斷（單側(cè)損傷）或壓迫損傷（如髓核突出導(dǎo)致慢性壓迫）更接近臨床常見SCI類型，其特點(diǎn)是部分神經(jīng)保留，但存在慢性炎癥與膠質(zhì)瘢痕。2022年，Biomaterials發(fā)表研究：針對(duì)大鼠半橫斷損傷，設(shè)計(jì)“梯度支架”——近宿主側(cè)（保留神經(jīng)）打印高取向性膠原纖維（引導(dǎo)軸突向損傷區(qū)生長），近損傷側(cè)打印GelMA/HA多孔支架（促進(jìn)NSCs分化為少突膠質(zhì)細(xì)胞）。8周后，電生理顯示患側(cè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)傳導(dǎo)速度恢復(fù)至健側(cè)的70%，組織學(xué)顯示軸突再生（NF200+）和髓鞘形成（MBP+）顯著優(yōu)于單一材料支架，且膠質(zhì)瘢痕面積減少50%。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段：從“結(jié)構(gòu)再生”到“功能恢復(fù)”長期安全性評(píng)估：為臨床轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)組織工程化脊髓的長期安全性是臨床轉(zhuǎn)化的前提，需評(píng)估支架降解產(chǎn)物、細(xì)胞致瘤性及免疫反應(yīng)。2023年，ScienceTranslationalMedicine報(bào)道了為期2年的大鼠實(shí)驗(yàn)：以PLGA/膠原支架植入SCI模型，結(jié)果顯示：支架在6個(gè)月內(nèi)完全降解，降解產(chǎn)物乳酸和羥基乙酸通過三羧酸循環(huán)代謝，未發(fā)現(xiàn)肝腎功能異常；移植的iPSCs來源神經(jīng)元未出現(xiàn)異位分化或致瘤；慢性炎癥反應(yīng)（CD68+巨噬細(xì)胞）在3個(gè)月后顯著降低，與正常脊髓無差異。這一研究為長期植入安全性提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。臨床轉(zhuǎn)化探索：從“實(shí)驗(yàn)室”到“病床”的跨越盡管動(dòng)物實(shí)驗(yàn)取得了顯著進(jìn)展，生物3D打印組織工程化脊髓的臨床轉(zhuǎn)化仍處于早期階段，目前已有多個(gè)團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)了初步探索。臨床轉(zhuǎn)化探索：從“實(shí)驗(yàn)室”到“病床”的跨越個(gè)性化支架的定制與植入2022年，美國FDA批準(zhǔn)了首個(gè)生物3D打印脊髓支架的IND（新藥臨床試驗(yàn)申請(qǐng)），用于治療慢性SCI（損傷>1年）。該支架基于患者M(jìn)RI數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，以PCL（聚己內(nèi)酯）為基材，表面修飾RGD肽，內(nèi)部預(yù)裝載自體MSCs。初步臨床數(shù)據(jù)顯示，3例患者植入支架后6個(gè)月，未出現(xiàn)嚴(yán)重不良反應(yīng)，ASIA（美國脊髓損傷協(xié)會(huì)）評(píng)分有1-2級(jí)改善，其中1例患者恢復(fù)部分下肢觸覺。雖然樣本量小，但標(biāo)志著生物3D打印脊髓修復(fù)進(jìn)入臨床驗(yàn)證階段。我國團(tuán)隊(duì)也在積極探索個(gè)性化支架：2023年，海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長征醫(yī)院完成了首例“3D打印仿生脊髓支架”植入手術(shù)，針對(duì)一位頸段不完全性SCI患者，支架基于CT/MRI數(shù)據(jù)構(gòu)建，模擬頸段脊髓解剖結(jié)構(gòu)，內(nèi)部含微通道引導(dǎo)軸突生長。術(shù)后隨訪1年，患者上肢運(yùn)動(dòng)功能改善，排尿功能部分恢復(fù)，為后續(xù)臨床研究積累了經(jīng)驗(yàn)。臨床轉(zhuǎn)化探索：從“實(shí)驗(yàn)室”到“病床”的跨越種子細(xì)胞來源的優(yōu)化臨床應(yīng)用中，種子細(xì)胞的來源是關(guān)鍵問題：自體細(xì)胞（如MSCs）無免疫排斥，但獲取量少、增殖能力有限；異體細(xì)胞（如NSCs）可大量擴(kuò)增，但存在免疫排斥風(fēng)險(xiǎn)；iPSCs可解決免疫排斥問題，但制備周期長、成本高。目前，臨床轉(zhuǎn)化策略以“自體細(xì)胞+異體細(xì)胞”聯(lián)合移植為主：例如，取患者少量皮膚細(xì)胞，誘導(dǎo)為iPSCs并分化為神經(jīng)前體細(xì)胞，同時(shí)取自體骨髓MSCs，混合后植入支架。2023年，CellStemCell報(bào)道了首例iPSCs來源神經(jīng)前體細(xì)胞治療SCI的臨床前研究，結(jié)果顯示細(xì)胞存活率達(dá)80%，且分化為神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞的比例分別為40%和35%，為臨床應(yīng)用提供了細(xì)胞來源方案。臨床轉(zhuǎn)化探索：從“實(shí)驗(yàn)室”到“病床”的跨越聯(lián)合治療策略的提升單一生物3D打印支架難以解決SCI的所有問題，因此聯(lián)合治療成為臨床轉(zhuǎn)化的重要方向：例如，“支架+電刺激”——在植入支架的同時(shí)，植入硬膜外電極，施加低頻電刺激（20Hz），促進(jìn)神經(jīng)元極化與軸突生長；“支架+基因編輯”——通過CRISPR-Cas9技術(shù)修飾NSCs，過表達(dá)BDNF，增強(qiáng)其神經(jīng)營養(yǎng)作用；“支架+康復(fù)訓(xùn)練”——術(shù)后結(jié)合強(qiáng)制性運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，促進(jìn)再生神經(jīng)的功能性整合。2022年，柳葉刀子刊TheLancetNeurology發(fā)表綜述指出，聯(lián)合治療策略可將SCI患者功能恢復(fù)率提升30%-50%，是未來臨床轉(zhuǎn)化的必然趨勢。06面臨的挑戰(zhàn)與解決方案ONE面臨的挑戰(zhàn)與解決方案盡管生物3D打印組織工程化脊髓取得了顯著進(jìn)展，但從實(shí)驗(yàn)室到臨床仍需突破多重技術(shù)瓶頸，這些挑戰(zhàn)的解決將直接決定其能否成為SCI的常規(guī)治療手段。血管化問題：限制組織存死的“最后一公里”脊髓損傷區(qū)缺血缺氧是細(xì)胞死亡的主要原因，盡管可通過VEGF等因子促進(jìn)血管再生，但新生血管常存在“管腔塌陷”“基底膜增厚”等結(jié)構(gòu)異常，無法有效支持組織代謝。解決方案包括：①“仿生血管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建”——通過犧牲打印技術(shù)，以PLGA纖維為犧牲材料，打印直徑50-200μm的微通道網(wǎng)絡(luò)，接種內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞，構(gòu)建具有生理功能的血管單元；②“血管-神經(jīng)同步再生”——在支架中同時(shí)裝載VEGF（促血管）和GDNF（促神經(jīng)），通過雙因子控釋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)血管與神經(jīng)的協(xié)同生長；③“預(yù)血管化策略”——在植入前，將支架與內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)7天，形成初步血管網(wǎng)絡(luò)，植入后可快速與宿主血管吻合，縮短缺血時(shí)間。功能性神經(jīng)環(huán)路重建：從“軸突再生”到“功能連接”目前研究多關(guān)注軸突再生與髓鞘形成，但再生軸突需與宿主神經(jīng)元形成功能性突觸，才能恢復(fù)感覺、運(yùn)動(dòng)功能。解決方案包括：①“突觸導(dǎo)向信號(hào)遞送”——在支架中裝載Netrin-1、Slit-3等突觸導(dǎo)向分子，引導(dǎo)再生軸突正確投射至靶區(qū)域；②“神經(jīng)環(huán)路調(diào)控”——采用光遺傳學(xué)技術(shù)，將光敏感蛋白（如ChR2）表達(dá)于再生神經(jīng)元，通過藍(lán)光刺激調(diào)控神經(jīng)元活性，促進(jìn)突觸成熟；③“感覺-運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元共培養(yǎng)”——構(gòu)建含感覺神經(jīng)元（背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元）和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的“類脊髓組織”，通過電刺激模擬神經(jīng)沖動(dòng)，促進(jìn)突觸連接形成。規(guī)模化生產(chǎn)與質(zhì)控：臨床轉(zhuǎn)化的“攔路虎”臨床應(yīng)用需生產(chǎn)大量批次一致、質(zhì)量穩(wěn)定的組織工程化脊髓，但目前生物3D打印仍存在“手工操作”“批次差異大”等問題。解決方案包括：①“自動(dòng)化打印設(shè)備開發(fā)”——開發(fā)集成細(xì)胞混懸、打印、后處理的自動(dòng)化設(shè)備，減少人為誤差；②“標(biāo)準(zhǔn)化生物墨水配方”——建立GMP級(jí)生物墨水生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，控制材料純度、粘度、細(xì)胞活性等關(guān)鍵參數(shù)；③“在線監(jiān)測技術(shù)”——通過光譜傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測打印過程中的細(xì)胞活性、交聯(lián)程度，確保支架質(zhì)量一致。免疫排斥與安全性：長期植入的“隱形風(fēng)險(xiǎn)”異體細(xì)胞或生物材料可能引發(fā)免疫排斥，長期植入的支架降解產(chǎn)物也可能導(dǎo)致慢性炎癥。解決方案包括：①“免疫豁免策略”——通過CRISPR-Cas9技術(shù)敲除細(xì)胞表面MHC-II類分子，降低免疫原性；或使用脫細(xì)胞脊髓基質(zhì)作為支架材料，保留天然細(xì)胞外基質(zhì)成分，減少免疫反應(yīng)；②“可控降解系統(tǒng)”——開發(fā)pH/酶響應(yīng)型生物材料，使支架降解速率與組織再生速率精確匹配，避免降解產(chǎn)物積累；③“長期安全性監(jiān)測”——建立臨床隨訪數(shù)據(jù)庫，定期評(píng)估患者的免疫功能、肝腎功能及影像學(xué)指標(biāo)，確保長期植入安全。07未來展望：邁向“精準(zhǔn)再生”的新時(shí)代ONE未來展望：邁向“精準(zhǔn)再生”的新時(shí)代生物3D打印組織工程化脊髓修復(fù)損傷是一個(gè)多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域，未來將向“智能化、精準(zhǔn)化、個(gè)性化”方向發(fā)展，為SCI患者帶來革命性治療。智能化設(shè)計(jì)：AI驅(qū)動(dòng)的支架優(yōu)化人工智能（AI）可通過分析海量臨床數(shù)據(jù)（如患者損傷類型、影像學(xué)特征、基因背景），預(yù)測最佳支架設(shè)計(jì)方案。例如，基于深度學(xué)習(xí)的“脊髓損傷-修復(fù)模型”，可輸入患者M(jìn)RI數(shù)據(jù)，輸出個(gè)性化的支架結(jié)構(gòu)（孔隙率、纖維取向）、材料組分