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3D打印医学应用:用人造脊髓为神经“搭桥” 让瘫痪大鼠再度行走

来源:客户端

发布时间:2019-01-16 15:52:06

点击量:3065

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3D打印技术就像个“万能积木”,能以廉价的成本解决许多传统技术难以制造的产品问题。目前3D打印在医疗方面的应用有医疗器械、人造器官等,甚至连栩栩如生的假肢都能打印出来。



在最近的一项研究中,科学家利用最先进的3D技术,为脊椎受伤的人们带来了重新行走的希望。研究人员首次利用快速3D打印技术制造出脊髓,然后成功地将装有神经干细胞的支架植入大鼠严重脊髓损伤的部位。植入物的目的是促进脊髓损伤的神经生长,恢复连接和失去的功能。在大鼠中,支架能够支持组织再生、干细胞存活和神经干细胞轴突从支架向宿主脊髓的扩展。

该研究的共同高级作者、加州大学圣地亚哥分校的马克•图斯基(Mark Tuszynski)教授说:“近年来,我们的研究成果和论文都在不断地向脊髓损伤中大量、长距离再生轴突的目标迈进,而轴突的再生对于任何身体功能的真正恢复都是至关重要的。”

轴突是神经细胞上长长的、像线一样的延伸部分,它可以延伸到其他细胞。

共同第一作者Kobi Koffler博士是Tuszynski博士实验室的助理项目科学家,他说:“这项新工作让我们更接近真实世界,因为3D支架再现了脊髓中纤细的、捆绑的轴突阵列。”“它帮助组织再生轴突来复制受伤前脊髓的解剖结构。”合著者Shaochen Chen博士利用快速3D打印技术创造了一个模拟中枢神经系统结构的支架。他说:“它就像一座桥,将再生轴突从脊髓损伤的一端连接到另一端。”

“轴突本身可以向任何方向扩散和再生,但支架使轴突保持有序,引导它们向正确的方向生长,从而完成脊髓连接。”植入物包含数十个200微米宽的微小通道,是人类头发的两倍宽,它们引导神经干细胞和轴突沿着脊髓损伤的长度生长。Chen教授的研究小组使用的打印技术在1.6秒内就可以打印出两颗毫米大小的植入物。传统的喷头打印机需要几个小时才能打印出比这简单许多的结构。根据研究小组的说法,这个过程可以扩展到人类脊髓的大小。

为了证明这一概念,研究人员打印了四厘米大小的植入物,这些植入物是根据人体脊髓损伤的核磁共振成像扫描结果制成的。

这些东西在10分钟内就被打印出来了。

第一作者之一、Chen博士团队的纳米工程博士后Wei Zhu博士说:“这显示了我们3D打印技术的灵活性。”我们可以快速打印出一种植入物,无论大小和形状如何,它都能与宿主脊髓受伤的部位相匹配。”

研究人员将这两种毫米大小的植入物植入大鼠严重的脊髓损伤部位,植入物中含有神经干细胞。几个月后,新的脊髓组织在整个损伤过程中完全再生,并连接了宿主脊髓的断端。经过治疗的大鼠后肢功能恢复“显著”改善。Koffler博士说:“这标志着修复人类脊髓损伤的临床试验又向前迈出了关键一步。”

“支架提供了一个稳定的物理结构,能够支持神经干细胞的稳定移植和存活。”“它似乎可以保护移植的干细胞免受脊髓损伤的毒性和炎症环境的伤害,并帮助引导轴突完全穿过损伤部位。”

他说,接受治疗的老鼠的循环系统已经渗透到植入物内部,形成了功能正常的血管网络,这有助于神经干细胞的存活。Zhu博士补充说:“血管化是工程组织植入物的主要障碍之一,这种植入物可以在体内保留很长时间。”“3D打印的组织需要血管系统来获得足够的营养和排泄废物。我们小组之前做过3D打印血管网络的工作,但是我们没有把它包含在这个工作中。”“由于我们的3D支架具有良好的生物相容性,生物学自然会为我们处理这些问题。”

现在,科学家们正在扩大这项技术的规模,并在更大的动物模型上进行试验,为可能的人体试验做准备。下一步还包括在脊髓支架内加入蛋白质,进一步刺激干细胞存活和轴突生长。

研究结果发表在《自然医学》杂志上。

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