專家點評Cell Stem Cell丨顧奇及合作團隊開發NEAT生物3D打印技術實現厘米級神經組織構建與功能驗證

點評 | 楊華勇（中國工程院院士）、 孫偉（清華大學 ）、 戴建武（ 中國科學院遺傳 與 發育 生物學研究 所 ）

在 生物制造與組織構建 領域 如何在超軟、高含水的三維材料體系中實現穩定、可控的空間取向結構，一直是限制復雜功能組織制造的關鍵技術瓶頸， 尤其在以天然 膠原 為基礎的水凝膠體系中，材料易流變、結構難固化、跨尺度取向 組裝 難， 無法兼顧結構和功能需求 。

2026年1月1 3 日，中國科學院動物研究所 顧奇 研究員聯合 胡寶洋 研究員 、馮桂海 研究員及 鄭雄飛 研究員（沈陽自動化研究所）團隊 在 Cell Stem Cell 發 表題為 Nanoengineered Extrusion-Aligned Tract Bioprinting Enables Functional Repair of Spinal Cord Injuries 的研究論文，提出一種剪切應力驅動的生物3D打印新策略——NEAT（Nanoengineered Extrusion-Aligned Tract）。該技術在無需后處理的條件下，實現了從納米級纖維排列到厘米級三維組織結構的連續取向構建，并在體內外體系中完成系統性功能驗證，為跨尺度軟組織制造提供了新的工程化路徑。

圖1 研究內容概念圖

一、剪切應力驅動的 NEAT 策略實現跨尺度取向組裝

天然 ECM材料（如膠原蛋白）具有優異的生物相容性與細胞調控潛力，但其在生理條件下自組裝動力學慢、力學穩定性弱、三維成型可控性差。 依賴靜態取向支架或后期物理牽拉獲得的取向結構，往往難以在高含水的三維水凝膠體系中長期保持，并且與連續化、生物 3D打印制造流程的兼容性有限。 此外，天然組織中的取向信息并非存在于單一尺度，而是由納米級纖維、微米級束狀結構與宏觀組織尺度協同構成，這對工程化構建提出了跨尺度一致性的更高要求。研究團隊從材料工程與制造過程耦合設計出發，提出 NEAT策略。在保留膠原三螺旋結構及其天然生物活性的前提下，利用擠出打印過程中噴嘴內產生的剪切應力場，在材料沉積的同時誘導化學修飾膠原纖維發生定向重排與層級組裝。通過系統調控噴嘴尺寸、打印速度及擠出壓力等關鍵參數，實現了膠原纖維從百納米到微米尺度的連續取向排列，并在宏觀尺度上穩定構建厘米級三維取向結構。

二、取向打印顯著提升組織體外分化與功能成熟

體外功能鑒定結果表明， NEAT打印構建的取向組織在細胞分化與功能成熟度方面均表現出顯著優勢。取向打印組中具有神經元特征的細胞比例達到82%，明顯高于非取向對照。電生理分析進一步證實，該組織表現出更強的網絡同步振蕩活動、更高的神經元自發放電頻率以及更大的電壓門控鈉電流峰值，整體呈現出更為成熟和穩定的電生理特性。 與此同時， NEAT打印獲得的水凝膠結構在高含水、低模量條件下仍可長期保持形態與取向穩定性，支持超過8周的體外培養而不發生塌陷或取向喪失。多尺度結構表征與功能分析共同表明，該策略所構建的取向結構不僅在形態層面高度一致，其結構優勢亦可持續轉化為功能層面的增強，為復雜軟性材料體系中結構—功能協同構建提供了可靠的技術驗證。

三、取向結構在體內顯著促進神經環路重建與組織整合

進一步的體內概念驗證實驗表明， NEAT構建的取向結構在復雜生理環境中仍可穩定保持其結構優勢，并有效轉化為組織整合與功能重建能力，從而驗證了該策略在工程穩定性與生物功能之間的協同性。在大鼠T9–10節段全橫斷模型中，取向打印組在神經元重連與損傷區定植方面顯著優于非取向對照，并在軸突環路連接、髓鞘再生及血管新生等多個層面表現出系統性優勢。移植8周后的單細胞轉錄組分析進一步顯示，該取向結構可在體內產生細胞類型特異性的調控效應，主動重塑損傷區域微環境，由抑制性狀態轉向支持再生的功能性生態位，同時通過調節少突 膠質細胞等膠質細胞功能，為軸突髓鞘化、突觸相關過程及神經環路重建提供有利條件。行為學評估結果與上述組織和分子層面的發現一致，取向打印組在大鼠后肢運動恢復及神經調控相關指標上表現出明顯優勢。

綜上，這項研究開發NEAT體系，通過剪切應力驅動的生物3D打印，成功解決軟性、含水環境中神經組織定向構建的技術難題，實現從百納米纖維排列到厘米級組織功能的多層次突破，從而彌合了單尺度仿生設計與復雜組織再生需求之間的差距，為未來體外功能模型及高維度生物制造系統奠定了重要方法學基礎。

中國科學院動物研究所黃文慧、陳淑嫻、李凱、丁雅麗、詹泊為該研究共同第一作者，論文共同作者包括 趙狄銘 、 徐國士 、 郭海濤 、 孫成宜 、 袁蕊 等。 國家重大科技基礎設施HOPE裝置、器官再生與智造全國重點實驗室、國家干細胞資源庫 為該工作 提供 了 技術平臺與資源保障 。

專家點評

楊華勇（ 中國工程院院士 ）

生物 3D打印的 一個核心 核心挑戰 就是 如何在極柔軟的微環境 下 實現對結構與細胞行為的 精準 控制。在這一背景下，顧奇團隊提出 了 NEAT 生物打印 策略 ，在 材料體系與制造工藝的協同設計 上 有鮮明特色。

該研究通過系統調控擠出生物打印過程中的剪切應力、流變條件與結構固化窗口，實現了膠原纖維從納米尺度到宏觀結構尺度的連續取向控制。這一過程并非單純依賴材料化學修飾，而是通過引入流體力學設計，使結構形成過程具有可預測性和可重復性。打印后結構的整體力學性能能夠與天然軟組織百帕級的模量相匹配 ， 可 為細胞 的功能化 提供高度仿生的物理微環境。

該研究清晰地展示了取向拓撲結構對細胞功能化和網絡形成的引導作用。體外及體內實驗結果共同表明，取向結構不僅影響細胞排列方式，還可在系統層面促進神經環路重建。總體來看，本研究 為軟性組織的精細制造提供了一種具有推廣潛力的 制造方法 。在進一步驗證長期安全性和規?；圃炷芰Φ幕A上，該方法有望在更廣泛的生物制造場景中發揮作用。

專家點評

孫偉（清華大學機械工程系國家特聘教授 ）

功能性組織的體外構建是生物制造領域長期關注的核心問題，其中如何在軟性、高含水的三維材料體系中實現穩定、可控的取向結構，始終是制約器官制造的重要技術瓶頸。傳統策略，無論是依賴類器官自發成型，還是基于靜態取向支架的構建方式，在結構可控性、尺度一致性以及長期穩定性方面均存在明顯局限。

顧奇團隊提出的 NEAT生物3D打印策略，在這一關鍵工程問題上提供了具有代表性的解決思路。該工作并未簡單依賴材料本身的性能提升，而是通過擠出打印過程中剪切應力的精確調控，將制造過程中的力學環境轉化為可編程的結構參數，從而在打印過程中同步實現膠原纖維的定向排列與層級組裝。這種“打印即取向”的動態構建模式，使取向結構成為制造流程的內生結果，而非后處理獲得的附加屬性。

從生物制造技術角度看，該研究的價值在于驗證了剪切應力驅動的跨尺度結構編程在超軟水凝膠體系中的可行性與穩定性。這一策略與嵌入式打印、多材料共打印等方向形成良好互補，為未來構建具有復雜拓撲結構、多細胞區室乃至血管化特征的三維組織體系提供了新的技術路徑。

專家點評

戴建武（ 中國科學院遺傳 與 發育 生物學研究 所研究員）

神經組織的發育與再生高度依賴于細胞外基質的空間組織方式。但在體外體系中重建其動態、異質且具有明確空間取向的微環境始終是一個難點。顧奇團隊的 NEAT生物3D打印 新技術 ，通過工程化方式引入取向結構控制，為解析神經細胞分化與環路重建機制提供了重要實驗平臺。

該研究重要貢獻首先在于在體外成功構建了同時具備力學匹配性與多尺度取向特征的三維組織結構，并驗證了其對神經細胞分化、軸突延伸及功能網絡形成的調控作用。另外，在體內實驗結合單細胞轉錄組分析，進一步揭示了取向結構在調節膠質細胞功能、促進髓鞘化及突觸相關過程中的作用，為理解脊髓損傷后組織重塑提供了新的線索。

從發育生物學和再生醫學角度看，該工作不僅有助于理解結構取向在神經修復中的功能意義，也為構建可控的體外模型體系奠定了基礎。未來結合遺傳操作與精細功能成像技術，有望借助該平臺深入解析關鍵細胞類型與分子通路在取向引導中的作用機制。

https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.12.021

制版人： 十一

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