综述：神经生物打印与再生神经工程：结合几何结构、导电性能和生物活性以实现临床修复

《Bioprinting》：Neural Bioprinting and Regenerative Neuroengineering: Integrating Geometry, Conductivity, and Bioactivity Towards Translational Repair

神经再生中的生物打印技术整合了支架几何设计、电活性材料与时空生物医学调控，突破中枢神经系统（CNS）再生屏障。通过微通道构建、合规生物墨水及电生理耦合机制，促进轴突定向生长与突触整合。对比周围神经系统（PNS）再生模板，提出"脑软支架-电活性 lattice-靶向生物活性"三位一体设计框架，并探讨制造标准化、监管路径及AI驱动的闭环系统构建策略。

　　

Sahil Khan | Talha Ahmed

美国马里兰州巴尔的摩市约翰霍普金斯大学生物技术和再生医学系

摘要

神经再生仍然是再生医学领域中最具挑战性的课题之一，尤其是在中枢神经系统（CNS）中，功能恢复受到抑制性微环境、有限的固有可塑性和较差的结构引导的显著限制。然而，神经生物打印领域的最新进展使得人们对支架结构、电机械性能和成分有了更好的控制，为制造能够主动引导神经修复的工程结构铺平了道路。本综述通过一个系统级框架整合了生物限制与控制几何形状、电机械顺应性和电生理耦合的设计原则，总结了神经生物打印领域的最新进展。我们分析了如何利用微通道结构、柔性和复合生物墨水以及电活性材料来促进轴突的最佳排列、突触整合和协调的网络活动。虽然我们的综述主要关注中枢神经系统的修复（因为临床需求和转化应用最为迫切），但也讨论了周围神经系统（PNS）再生背后的原理，这些原理可以作为指导支架修复策略的生物学模板。除了制造策略外，我们还强调了神经生物打印如何促进细胞和细胞外生物制剂的时空整合，将生长因子、细胞外囊泡和基于基因的干预措施转化为依赖于结构的治疗成分。最后，本综述还讨论了转化应用方面的考虑因素，包括制造的可重复性、质量控制和监管准备情况，并将神经生物打印定位为一个将再生神经工程从实验系统推向临床应用的融合平台。本综述旨在提出一个以设计为导向的框架，整合生物限制、生物材料行为和制造策略，以明确神经生物打印的可行原则。

章节摘录

引言：神经再生中的设计挑战与机遇

脑部和脊髓损伤是全球导致死亡和残疾的主要原因之一，常常使幸存者出现严重的长期神经功能障碍。全球约有25万至50万人患有脊髓损伤（SCI）[1]，而创伤性脑损伤（TBI）则影响3793万人[2]。与周围神经系统（PNS）不同，由于外部抑制信号和内在生长抑制的共同作用，中枢神经系统（CNS）组织的再生能力有限。

控制神经再生和支架设计的生物学限制

神经再生和修复的过程受到损伤后细胞、分子和细胞外基质（ECM）动态相互作用的影响和调节。由于外部抑制因素和内在生长抑制的共同作用，中枢神经系统（CNS）神经元的愈合和再生能力较差。损伤后，由于胶质细胞瘢痕形成、CSPG积累和促炎细胞因子的释放，中枢神经系统的微环境变得不利。

神经生物打印用的生物材料

选择用于神经生物打印的生物材料不仅应基于其生物相容性，还应考虑其支持精确结构制造、植入后的机械稳定性以及与生物载体的整合能力。流变学参数如屈服应力、剪切稀化行为、粘弹性恢复和凝胶化动力学直接影响挤出过程中的纤维稳定性、沉积后的通道壁完整性等。

打印技术和制造限制

基于挤出的生物打印仍然是制造神经结构的主要方法，因为它能够沉积高粘度的生物墨水，并实现最佳的共轴/多材料沉积，从而构建包含封装的NPCs和生长因子储存库的核心壳层和梯度微通道[98]。最近的研究强调了基于挤出的生物打印技术的进步（例如，改进的剪切控制、打印后交联策略、多喷嘴共轴系统等）。

生物打印结构中的细胞和细胞外生物制剂的整合：细胞、外泌体和基因编辑

重建受损的中枢神经系统（CNS）电路不仅需要支架，还需要能够（i）替代受损的细胞类型，（ii）最佳传递营养和免疫调节信号，以及（iii）刺激宿主神经元和胶质细胞内在再生能力的生物制剂。生物制剂的选择遵循一个机制引导的层次结构：抗炎阶段（0-7天）：MSC-EVs、IL-10、miR-146a（抗NFκB）；血管生成启动阶段（3-14天）：VEGF、Ang-1、PDGF-BB；神经营养因子等。

生物打印神经系统中生物制剂的时空控制

神经再生和修复的过程是一个包含不同且相互重叠阶段的时间连续体——急性炎症和缺血、亚急性轴突生长和血管生成，以及慢性组织重塑，最终导致电路重组和髓鞘再生。每个阶段都由一组独特的分子和细胞信号调节，因此需要精确的生物活性信号传递的时空控制。传统的输送技术如营养因子的脉冲给药等方法无法满足这些需求。

生物打印设计原则在神经修复中的应用

本节讨论的应用包括中枢神经系统（CNS）和周围神经系统（PNS）的修复。然而，以周围神经系统（PNS）为例，主要是为了展示在受损的中枢神经系统（CNS）中难以再现的对齐、引导和细胞组织化原理。

神经生物打印的新兴方向和未来设计范式

下一代神经组织再生将依赖于人工智能（AI）、数字孪生技术、先进的计算流体动力学（CFD）模型、生物电子学和量子级传感技术，创建一个将设计、模拟和功能联系起来的封闭反馈系统。

转化应用考虑：制造、质量控制和监管路径

为了确保生物打印神经组织构建的转化可信度，有必要尽早建立监管协调。这些构建的分类涉及多个监管机构，因为它们的设计原则较为复杂。例如，聚合物导管或无细胞水凝胶通常属于医疗器械的范畴，但当与外泌体（EVs）、活细胞或基因载体结合时，其分类可能会变为生物制品。

讨论：综合、局限性和转化前景

神经组织工程领域正朝着一种多模式修复范式发展，该范式结合了几何精确性、电活性信号传导和生物调节，以重建受损的神经组织和通路。整个领域由三个设计支柱主导：（i）具有几何意识的脑软支架，（ii）导电和离子晶格，以及（iii）靶向生物制剂。与以往主要关注单一生物材料的综述不同，

结论

神经生物打印领域正处于生物材料科学、组织工程和神经生物学的交汇点，旨在在损伤或疾病后重建最佳的神经回路。3D和4D生物打印、导电水凝胶设计以及生物活性整合的最新进展已经将神经生物打印从展示孤立的再生组织演示提升到了开发结构优化、可移植系统的阶段，这些系统能够实现...

CRediT作者贡献声明

Talha Ahmed：撰写——综述与编辑、可视化、验证、监督、方法论、正式分析。Sahil Khan：撰写——综述与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、监督、软件开发、资源协调、方法论研究、正式分析、概念构思

利益冲突声明

作者声明与本工作无关的任何利益冲突。

资助信息

作者未为此项工作获得任何特定资助。

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