在生物制造与组织工程领域，如何在超软、高含水的三维材料体系中实现稳定、可控的空间取向结构，是制约复杂功能组织构建的核心难题之一。传统打印难以兼顾结构成形性、取向一致性与长期稳定性，限制了其在神经等高度各向异性软组织构建中的应用。

近日，顾奇研究组联合胡宝洋研究员、冯桂海研究员与沈阳自动化研究所郑雄飞研究员在《Cell Stem Cell》期刊在线发表“Nanoengineered Extrusion-Aligned Tract Bioprinting Enables Functional Repair of Spinal Cord Injuries”研究论文，该研究提出并系统验证了一种基于剪切应力场调控的生物3D打印新策略——NEAT（Nanoengineered Extrusion-Aligned Tract），为软组织跨尺度取向结构制造提供了工程化解决方案（图1）。

一、该研究的技术突破

1.剪切应力驱动的跨尺度取向制造

天然细胞外基质（ECM）材料具有良好的生物相容性，但其在生理条件下自组装动力学缓慢、力学稳定性弱，难以支撑高含水状态下的三维成型与长期结构保持。研究团队提出NEAT生物打印策略，将材料层级组装过程直接嵌入打印制造环节本身。在保留I型胶原三螺旋结构及天然生物活性的前提下，通过降冰片烯化学修饰引入快速光交联能力；随后利用挤出打印喷嘴内形成的可控剪切应力场，在材料沉积过程中同步诱导胶原纤维发生定向重排与层级组装。通过系统调控喷嘴直径、挤出压力、打印速度及温度等工程参数，研究团队实现了50–200 nm尺度胶原纳米纤维的定向排列、微米级纤维束的连续组装、厘米级三维结构的整体取向一致性构建。

2.取向制造促进干细胞分化与功能成熟

在体外功能验证中，NEAT策略构建的取向结构为人神经干细胞（hNSC）*提供了高度仿生的物理微环境。与非取向打印对照相比，取向结构显著提升了神经干细胞沿打印方向排列和定向分化的能力，具有神经元特征的细胞比例显著提高，向打印构建的神经组织表现出更强的网络同步振荡活动、更高的神经元自发放电频率以及更大的电压门控钠电流峰值，整体呈现出更为成熟和稳定的神经网络功能特征。在进一步的体内概念验证中，研究团队将NEAT构建的取向结构移植至大鼠T9–10节段全横断脊髓损伤模型。结果显示，在复杂的生理力学环境、炎症反应及组织重塑过程中，取向打印结构仍可长期保持其空间取向特征，并作为稳定的物理模板参与组织重建；与非取向对照组相比，取向打印组在轴突跨损伤区连续生长、神经元重连、髓鞘形成及血管新生等方面均表现出系统性优势。

二、技术应用前景

● 软组织异质性微环境的工程化构建：NEAT技术通过剪切应力场对材料组装过程的精确调控，为高含水、低模量软组织中构建具有空间异质性的微环境提供了通用制造手段。该策略可在同一三维结构中实现取向梯度、结构分区及力学差异的协同设计，为模拟天然软组织中复杂、非均一的结构特征提供工程化支撑。

●多层级有序结构的跨尺度制造平台：NEAT实现了从纳米纤维、微米级纤维束到厘米级三维构型的连续有序组装，为软性材料体系中多层级结构一致性的构建提供了可扩展的制造测量，为复杂结构—功能关系研究及高维度生物制造奠定技术基础。

中国科学院动物研究所博士研究生黄文慧、硕士研究生陈淑娴、博士研究生李凯、博士研究生丁雅丽、博士后詹泊为该研究共同第一作者。该工作得到了国家重点研发计划（2025YFC3408800、2022YFA1104701、2024YFB4607800、2024YFA1108404）、国家自然科学基金（U21A20396、U23A20453、62127811、T2222029、82402502）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB1030000、XDB1150000、XDC0200000）等项目支持。特别感谢国家重大科技基础设施HOPE装置、国家干细胞资源库、器官再生与智造全国重点实验室提供的技术平台与资源保障。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.12.021

图1：研究内容总览图