多层3D神经元网络的混合生物制造：实现结构与功能层间连接的新策略

为解决传统微挤出生物打印在神经组织模型中高粘度水凝胶限制细胞活性与神经突延伸的问题，韩国科学技术院团队开发了基于微网的3D MOSAIC平台，整合微电极阵列(MEA)和钙成像技术，实现了纤维蛋白中高分辨率多层神经元网络的构建与功能分析。该研究证实打印结构可维持27天以上的突触传导和电刺激传播，为研究脑模块化组织的结构-功能关系提供了新模型。

　　

大脑作为人体最复杂的器官，其模块化组织结构与功能连接的关系一直是神经科学研究的核心命题。传统体外模型面临两大困境：高精度微挤出生物打印需要的高粘度水凝胶会抑制神经元活动，而低粘度天然水凝胶又难以维持精细结构。这种"机械-生物特性矛盾"严重制约着3D神经网络的构建，特别是当需要模拟大脑分层模块化特征时——既要保持各层的结构独立性，又要实现层间功能连接。

韩国科学技术院的研究团队在《Biosensors and Bioelectronics》发表的研究中，创新性地将3D MOSAIC（微网-生物墨水覆盖结构与互锁培养）平台与微电极阵列(MEA)和钙成像技术结合，成功构建出具有明确层间连接的多层神经元网络。该系统采用纤维蛋白作为生物墨水，既保证了脑组织相似的弹性模量，又通过微网结构实现了100微米级打印分辨率。研究发现这些打印的神经元层能自发产生同步电活动，并通过神经突形成功能连接，电刺激可从底层定向传递至顶层，这种结构引导的功能连接维持超过27天。

关键技术包括：1）激光切割不锈钢微网构建支撑框架；2）纤维蛋白生物墨水的优化配方；3）3D打印对准器实现多层精确定位；4）MEA与钙成像同步监测技术；5）大鼠皮层神经元的三维培养体系。研究样本采用Sprague-Dawley大鼠胚胎的皮层神经元。

通过3D MOSAIC平台，研究团队在MEA上构建了模拟大脑层级网络的多层异质结构。微网支撑使低粘度纤维蛋白能保持100微米级精度，神经元在打印后24小时内即开始延伸神经突。关键创新在于开发了透明导电微网，既作为结构支撑又作为电信号传导介质。

该研究证实3D打印的模块化神经网络能形成功能性突触连接，MEA记录显示各层神经元存在频率0.1-1Hz的自发同步爆发，钙成像证实这种同步性源于层间神经突连接。施加50mV/mm电刺激时，底层活动能在35ms内传导至顶层，且这种定向传导可被CNQX（AMPA受体拮抗剂）阻断，证明依赖突触传导。 采用激光切割的316L不锈钢微网（孔径100μm）作为支撑框架，配合压力敏感胶带实现生物墨水的精确定位。打印的纤维蛋白凝胶表现出1-2kPa的弹性模量，接近脑组织力学特性，支持神经突以每日40-60μm速度生长。

这项研究的突破性在于首次实现了三大要素的整合：高分辨率生物打印、长期稳定的MEA接口、以及多层结构的实时功能监测。不仅为研究神经网络层级信息处理提供了新工具，更为开发生理相关性更高的脑疾病模型和神经修复支架奠定了基础。特别是该方法采用全天然材料体系，避免了合成材料潜在的生物相容性问题，在神经再生医学领域具有重要应用前景。团队下一步计划将该技术应用于阿尔茨海默病模型中β-淀粉样蛋白对神经网络层级连接的破坏机制研究。