研究团队通过3D打印技术，成功地打印出模仿大脑组织的多层结构，并集成了实时监测神经活动的系统，解决了传统打印方法的挑战。这项研究为大脑功能研究、神经疾病建模、药物测试等提供了新的可能性。
韩国科学技术院（KAIST）的研究人员用三维打印技术打印出了具有多层结构的类脑组织，以及一个用于实时监测神经活动的集成系统。
在生物与脑工程系教授 Je-Kyun Park 和 Yoonkey Nam 的领导下，该团队解决了神经科学中的一个关键难题：用足够柔软的材料构建类脑结构，以支持神经元生长，同时又足够稳定以保持复杂的形状。
大多数现有系统依赖高粘度生物墨水在打印过程中保持形状，但这往往限制了神经网络的发展。较软的低粘度水凝胶能更好地模拟脑组织力学并促进细胞活动，但众所周知，它们很难精确成型。这项研究发表在《生物传感器与生物电子学》（Biosensors and Bioelectronics）杂志上，为研究脑组织的结构和功能如何相互作用提供了一种新方法。
"朴教授说："这项研究是一个综合平台的联合开发成果，它可以同时再现脑组织复杂的多层结构和功能。
印刷组织中的稳定神经活动
为了解决这个问题，研究人员将三种工程解决方案结合到一个集成平台中。他们首先应用了毛细销钉技术，这是一种使用不锈钢微网在打印过程中保持稀释水凝胶到位的技术。这使他们能够实现 500 微米或更小的分辨率，比传统方法精确约六倍。
接下来，他们使用圆柱形对准工具，确保打印结构的每一层都能准确堆叠。这样既保持了多层网络的完整性，又确保了与嵌入式微电极阵列的正确对齐。最后，他们还添加了一个双模式分析系统，以便从多个角度监测神经活动，从下方捕捉电信号，同时从上方记录钙成像。
利用这些技术，研究小组用纤维蛋白水凝胶创建了一种三层结构，这种水凝胶与脑组织的弹性非常相似。神经元播种在顶层和底层，中间层保持开放，以便神经突起生长并形成突触连接。
当受到刺激时，两层神经元同时做出反应。引入突触阻断剂后，反应减弱，这证实了所观察到的活动是由于跨层的主动信号传输所致。
除了结构保真度和功能分析外，该平台在稳定性方面也有显著提高。大多数系统会在大约 14 天后退化，而 KAIST 平台却能与微电极芯片保持稳定连接超过 27 天。如此长的持续时间使得研究神经连接和行为的长期变化成为可能。
这些结果为体外研究大脑功能提供了实用工具，并为神经系统疾病建模、测试神经毒性物质的作用和评估潜在的治疗化合物开辟了新的可能性。
用于大脑研究的新型 3D 打印方法
近年来，3D 打印技术在促进我们对大脑功能的了解，以及创建用于研究大脑发育、疾病机制和药物反应的体外模型方面发挥了越来越大的作用。
去年，威斯康星大学麦迪逊分校（UW Madison）的研究人员开发出一种生物打印方法，用于制造具有活性神经网络的功能性人脑组织。传统的基于支架的技术往往会阻碍细胞分布和层间连接，与之不同的是，他们的方法是使用较软的生物墨水水平打印组织，并添加凝血酶作为交联剂以保持结构。
由此产生的组织使神经元得以生长，通过神经递质进行交流，并形成跨层连接。研究小组成功打印了皮层和纹状体区域，这些区域以生物相关的方式相互作用，为大脑发育、疾病研究和药物测试提供了一个模型。
2020年，牛津大学和香港中文大学的研究人员开发出一种三维生物打印技术，利用脂质层支撑的液滴网络将人类皮质细胞精确地预先图案化到柔软的基于ECM的基质中。通过对神经干细胞和星形胶质细胞进行空间排列，该方法触发了包括神经元迁移、轴突生长和星形胶质细胞形成在内的关键发育过程。
通过调整液滴大小、打印脉冲和粘度，无需人工支架即可控制组织结构。高密度培养物随着时间的推移仍能存活，从而形成成熟的神经元和星形胶质细胞。这种方法有助于研究软打印组织中的自组织、细胞分离和特定区域的大脑发育。
