在生物製造與組織工程領域，如何在超軟、高含水的三維材料體係中實現穩定、可控的空間取向結構，是製約複雜功能組織構建的核心難題之一。傳統打印難以兼顧結構成形性、取向一致性與長期穩定性，限製了其在神經等高度各向異性軟組織構建中的應用。

近日，顧奇研究組聯合胡寶洋研究員、馮桂海研究員與沈陽自動化研究所鄭雄飛研究員在《Cell Stem Cell》期刊在線發表“Nanoengineered Extrusion-Aligned Tract Bioprinting Enables Functional Repair of Spinal Cord Injuries”研究論文，該研究提出並係統驗證了一種基於剪切應力場調控的生物3D打印新策略——NEAT（Nanoengineered Extrusion-Aligned Tract），為軟組織跨尺度取向結構製造提供了工程化解決方案（圖1）。

一、該研究的技術突破

1.剪切應力驅動的跨尺度取向製造

天然細胞外基質（ECM）材料具有良好的生物相容性，但其在生理條件下自組裝動力學緩慢、力學穩定性弱，難以支撐高含水狀態下的三維成型與長期結構保持。研究團隊提出NEAT生物打印策略，將材料層級組裝過程直接嵌入打印製造環節本身。在保留I型膠原三螺旋結構及天然生物活性的前提下，通過降冰片烯化學修飾引入快速光交聯能力；隨後利用擠出打印噴嘴內形成的可控剪切應力場，在材料沉積過程中同步誘導膠原纖維發生定向重排與層級組裝。通過係統調控噴嘴直徑、擠出壓力、打印速度及溫度等工程參數，研究團隊實現了50–200 nm尺度膠原納米纖維的定向排列、微米級纖維束的連續組裝、厘米級三維結構的整體取向一致性構建。

2.取向製造促進幹細胞分化與功能成熟

在體外功能驗證中，NEAT策略構建的取向結構為人神經幹細胞（hNSC）*提供了高度仿生的物理微環境。與非取向打印對照相比，取向結構顯著提升了神經幹細胞沿打印方向排列和定向分化的能力，具有神經元特征的細胞比例顯著提高，向打印構建的神經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神經網絡功能特征。在進一步的體內概念驗證中，研究團隊將NEAT構建的取向結構移植至大鼠T9–10節段全橫斷脊髓損傷模型。結果顯示，在複雜的生理力學環境、炎症反應及組織重塑過程中，取向打印結構仍可長期保持其空間取向特征，並作為穩定的物理模板參與組織重建；與非取向對照組相比，取向打印組在軸突跨損傷區連續生長、神經元重連、髓鞘形成及血管新生等方麵均表現出係統性優勢。

二、技術應用前景

● 軟組織異質性微環境的工程化構建：NEAT技術通過剪切應力場對材料組裝過程的精確調控，為高含水、低模量軟組織中構建具有空間異質性的微環境提供了通用製造手段。該策略可在同一三維結構中實現取向梯度、結構分區及力學差異的協同設計，為模擬天然軟組織中複雜、非均一的結構特征提供工程化支撐。

●多層級有序結構的跨尺度製造平台：NEAT實現了從納米纖維、微米級纖維束到厘米級三維構型的連續有序組裝，為軟性材料體係中多層級結構一致性的構建提供了可擴展的製造測量，為複雜結構—功能關係研究及高維度生物製造奠定技術基礎。

必威精装版app西汉姆联 博士研究生黃文慧、碩士研究生陳淑嫻、博士研究生李凱、博士研究生丁雅麗、博士後詹泊為該研究共同第一作者。該工作得到了國家重點研發計劃（2025YFC3408800、2022YFA1104701、2024YFB4607800、2024YFA1108404）、國家自然科學基金（U21A20396、U23A20453、62127811、T2222029、82402502）、中國科學院戰略性先導科技專項（XDB1030000、XDB1150000、XDC0200000）等項目支持。特別感謝國家重大科技基礎設施HOPE裝置、國家幹細胞資源庫、器官再生與智造全國重點實驗室提供的技術平台與資源保障。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.12.021

圖1：研究內容總覽圖