3D打印，榜首！两院院士评选2024年世界十大科技进展新闻

2025年1月23日

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2025年1月22日，由中国科学院、中国工程院主办的“两院院士评选2024年中国/世界十大科技进展新闻”在江苏省南京市揭晓。3D打印技术参考注意到，3D打印功能性人类脑组织登顶2024年世界十大科技进展新闻榜首。入选“双十”的科技成果和科学家，很多都于若干年后荣获其他科技类重大奖项。

美国威斯康星大学麦迪逊分校的华人科学家张素春教授，成功使用3D打印技术制造出一种类似真实大脑组织的三维脑组织结构，它可以像真实脑组织一样正常生长并发挥作用，为脑发育与神经系统疾病研究带来新突破。相关研究成果于2024年2月1日发表于《细胞—干细胞》。

研究背景与技术挑战

近年来，3D打印技术在生物医学领域的应用逐渐拓展，科学家们已成功利用3D打印机将细胞与其他支架材料结合，制造出多种活体组织。然而，制造出能够模拟真实大脑功能的三维脑组织结构一直是该领域的技术瓶颈。传统方法如利用干细胞培养微型脑类器官，虽然能够模拟大脑发育的某些过程，但由于细胞类型和位置的不可控性，导致每个类器官的结构和功能均存在差异，难以实现研究结果的可重复性。

研究方法与技术创新

在本研究中，美国威斯康星大学麦迪逊分校的神经科学家张素春（Su-Chun Zhang）团队通过改进3D打印技术，成功解决了这一难题。研究人员利用3D打印机精确打印出人类神经元和胶质细胞的前体细胞，并通过调整打印“墨水”——水凝胶的成分，为细胞提供了一个既能支撑组织又不影响细胞活动的微环境。这种新型水凝胶配方既支持了组织的结构完整性，又不会限制细胞的迁移和连接形成，从而使得打印出的三维结构能够模拟真实大脑的发育过程。

研究团队进一步通过打印不同类型的细胞，并以特定比例组合，构建出多种功能化的脑组织模型。例如，他们将抑制性神经元和兴奋性神经元与星形胶质细胞结合，观察到神经元能够产生电信号，星形胶质细胞能够吸收神经递质谷氨酸，显示出类似真实大脑的功能性连接。此外，当研究人员将大脑皮层和基底节的细胞组合时，发现皮层细胞能够向基底节细胞伸出突起，而基底节细胞则没有类似表现，这与人类大脑的组织结构和功能连接高度一致。

研究意义与应用前景

该研究的成果得到了同行的高度评价。荷兰乌特勒支大学的再生医学研究者Riccardo Levato表示，这项研究首次证明了通过简单的细胞组织方式，可以实现类似真实大脑的功能响应。牛津大学的发育生物学家Francis Szele也指出，尽管打印出的组织相对简单，但其连接性与真实大脑高度相似，显示出该技术的巨大潜力。

尽管目前打印出的脑组织厚度仅约50微米，尚无法完全模拟真实大脑的三维复杂性，但这一技术已为脑发育和疾病研究提供了新的思路。例如，当研究人员打印出携带与亚历山大病（一种神经退行性疾病）相关突变的细胞时，发现这些细胞形成的连接明显减少，与人类患者中的观察结果一致。这表明3D打印技术有望为神经系统疾病的建模提供更准确的生物工程组织。