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2021/07/21
癱瘓患者的新希望！3D生物列印出具治癒潛力的神經組織
數位製造的3D列印技術中，以3D生物列印技術最為矚目，除了生物器官、人體脊柱的3D列印技術外，近日出現了一種期望能治癒絕症般的脊髓損傷的生物列印方法。
3D生物列印神經組織的原理
使用定製的生物墨水，中國的研究團隊成功地以3D生物列印出神經幹細胞負載的組織，此神經組織能夠通過來自大腦的脈衝傳遞指令，如同生物體中的運作一樣。當這些神經組織植入殘疾老鼠體內，顯示出恢復癱瘓肢體的運動能力，科學家們因此相信這個技術可應用到人類身上。
中國科學院奈米生物醫學工程師在《科學家》雜誌上發言，稱︰「目前還沒有治癒脊髓損傷的有效方法，但我們開發的3D生物列印策略，有機會可以代表一種快速而精確的中樞神經系統(CNS)，用於再生醫學工程的神經元組織上，作為一種通用和多功能的治療策略。」
新型3D生物列印和植入過程
脊髓損傷的難題
脊髓損傷或“SCI”是一個籠統的術語，用來描述對沿著人類脊髓向大腦發送信號的細胞束和神經造成的任何損傷。雖然損傷本身可能由直接傷害或周圍椎骨的挫傷引起，但結果往往是相同的︰受影響區域以下部分的感覺和運動功能，有部分或完全的喪失。雖然目前未有治癒SCI的方法，但現正發開的一些基於細胞的療法是充滿前景的，其中的功能性神經元的再生方法，被視為未來成功的關鍵。實際上，這種方法涉及在整個受傷區域的神經元之間重建聯繫，以恢復神經功能，但修復受損細胞仍然是個問題。
從前，曾有過把神經幹細胞植入SCI部位的方法，但幹細胞表現出較差的存活能力和不受控的分裂，導致治療效果不佳。在最近的努力中，科學家們看到了生物列印的細胞負載支架，能夠創造一個合適的微型環境，使神經元能夠在裡面蓬勃發展，但這也引起了圍繞列印能力和啟動細胞互動的進一步問題。
為了解決這些問題，研究人員現已開發出一種新型的生物墨水，可以在體溫下凝結在一起，以防止神經元分裂成不產生電脈衝的細胞，並且可以3D生物列印成支架，不僅可以模擬脊柱的白質外觀，還能鼓勵細胞之間的相互作用。
研究人員的神經組織被3D生物列印成3D層
進行中的癱瘓治療法
首先，研究人員用天然殼聚醣、以及玻尿酸和基質膠的混合物配製了生物墨水，然後將它們與老鼠的神經幹細胞結合，再使用BioScaffolder 3D生物列印機，把所得混合物沉積到載有細胞的支架中，最後儲存在培養板中，以供進一步的測試。在植入之前，該團隊以不同的樣本分別培養了3、5和7天，使組織增殖並形成連接。研究人員發現，玻尿酸的濃度愈高，他們觀察到的相互作用水平就愈低，這表示生物墨水可以被調整成所需要的組織特徵。
當注射到截癱的實驗鼠體內時，支架表現出95%的細胞存活率，同時促進了神經元的再生，使老鼠能夠重新控制後腿。在12週的觀察期內，接受治療的動物還顯示出在沒有支撐的情況下，恢復了移動臀部、膝蓋和腳踝的能力。
這項研究首次清楚地證明了3D生物列印的神經幹細胞支架，在體內修復SCI的可行性，而在不久的將來，這項技術極可能走向神經組織工程的臨床應用，例如SCI和其他再生醫學的領域。
中樞神經系統治療中的3D生物列印技術
在柔性電子產品和3D生物列印技術的不斷進步下，生產神經植入物、並有可能治療複雜的中樞神經系統損傷，成為愈來愈可能實現的技術。去年，德國的德累斯頓工業大學啟動了一個創造3D列印神經植入物的項目，能夠將人腦與電腦連接起來，成為治療神經系統疾病(如癱瘓)的方法。在一項類似的研究中，有工程公司與製藥專家合作，評估3D列印的神經導流藥物輸送裝置的性能，未來有望成為治療帕金森氏症的方法。
在專門治療脊髓損傷方面，加州大學聖地亞哥分校的研究人員通過將3D列印的兩毫米寬移植物植入測試對象體內，也成功修復了老鼠的脊髓損傷，該團隊成功促進神經幹細胞的生長，不僅恢復神經連接，更幫助囓齒動物的測試對象恢復了肢體功能。
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